Вещество состоит из атомов

Если бы из-за некой катастрофы все накопленные научные знания были бы уничтожены, и для последующих поколений живых существ сохранилось лишь одно предложение, то какое содержало бы наибольшую информацию при наименьшем количестве слов? Я считаю, что это — атомная гипотеза (или атомный факт, или как вам угодно его называть): все тела состоят из атомов — маленьких частиц, которые пребывают в бесконечном движении и притягиваются друг к другу, когда их разделяет небольшое расстояние, но отталкиваются, если их прижимают плотнее друг к другу. Как видите, в одном этом предложении огромное количество информации о мире, если только к нему приложить немного размышления и воображения.

Чтобы проиллюстрировать величие атомной идеи, представим себе каплю воды размером с полсантиметра. Даже очень пристально вглядевшись в нее, мы не увидим ничего, кроме воды, — однородной, сплошной воды. Даже если мы увеличим ее при помощи самого сильного из оптических микроскопов — примерно в 2000 раз, тогда капля воды станет размером в 10 метров, как большая комната, и если мы снова всмотримся в нее, то заметим маленькие шарики, плавающие туда-сюда. Очень интересно. Это парамеции. Можно задержаться на этом и так заинтересоваться парамециями с их извивающимися ресничками и гибкими тельцами, что не двигаться дальше (если только не захочется заглянуть внутрь них). Это, конечно, важно для биологии, но сейчас мы двинемся дальше и будем всматриваться в саму субстанцию воды, увеличив нашу каплю еще в 2000 раз. Теперь она примет размеры около 20 километров в поперечнике, и если мы вновь присмотримся к ней очень внимательно, то заметим какое-то хаотичное движение. Поверхность уже не будет гладкой — она будет выглядеть примерно как толпа на футбольном стадионе, если на нее смотреть с большой высоты. Чтобы разобраться, что это за хаос, мы увеличим еще в 250 раз и увидим нечто подобное тому, что изображено на рис. 1.1. Это капля воды при увеличении в миллиард раз, но упрощенная в нескольких аспектах. Частицы изображены, как нам привычнее, с четкими границами — это первая неточность. Во-вторых, для простоты, они изображены почти схематично в двухмерной проекции, тогда как они, конечно, движутся в трех

Рис. 1.1. Капля воды, увеличенная в миллиард раз

измерениях. На рисунке видны два вида «шариков» или кружочков, представляющих атомы кислорода (черные) и водорода (белые), каждый шарик кислорода соединен с двумя шариками водорода. (Каждая маленькая группа из атома кислорода с двумя атомами водорода называется молекулой.) Далее, картина упрощена в том отношении, что реальные частицы постоянно вибрируют и сталкиваются, поворачиваются и крутятся вокруг друг друга. Лучше представьте эту картину в движении, чем статичной. Еще одно обстоятельство, которое нельзя изобразить на рисунке, — это то, что в природе частицы «прилипают» друг к другу, что они притягиваются, эта тянет ту, и т. д. Вся группа как бы «склеена». С другой стороны, частицы не слишком тесно прижимаются друг к другу. Если попытаться прижать их слишком сильно, они оттолкнутся.

_8 _g

Радиус атомов 1 или 2x10 см. Отрезок в 10 см именуется ангстрем (просто другое название), так что мы говорим, что атомы имеют радиус 1 или 2 ангстрема (А). Есть еще один способ представить себе их размер: если яблоко увеличить до размеров Земли, тогда атомы в яблоке сами станут размером с яблоко.

Вернемся к нашей капле воды со всеми этими склеенными вибрирующими частицами, тянущимися друг за другом. Вода сохраняет свой объем: она не распадается на части, вследствие притяжения молекул друг к другу. Если капля попадет на наклонную плоскость, по которой она сможет двигаться из одного места в другое, то она не исчезнет просто так, не разлетится на маленькие кусочки из-за молекулярного притяжения. Это хаотичное движение мы воспринимаем как теплоту: чем выше температура, тем интенсивнее движение. Если мы нагреваем воду, вибрация среди частиц усиливается, и промежутки между атомами увеличиваются. И если нагрев продолжается, то наступает момент, когда притяжение между молекулами становится недостаточным для того, чтобы удерживать их вместе, и они действительно разлетаются и удаляются друг от друга. Конечно, так мы получаем из воды пар: при повышении температуры усиливается движение и частицы разлетаются.

На рис. 1.2 изображен пар. Это изображение неудачно в одном отношении: при обычном атмосферном давлении во всем помещении было бы не так много молекул воды, и уж точно их не набралось бы три штуки на таком промежутке, какой изображен на этом рисунке. Большинство квадратов такого размера не содержали бы ни одной молекулы. Но на картинке, чтобы она не была совсем пустой, нам изобразили две с половиной, или три молекулы. Рассматривая пар, мы можем увидеть характерные черты молекулы воды более четко. Для простоты на этом рисунке между атомами водорода дан угол 120°. На самом деле угол равен 105°3', а расстояние между центрами атомов кислорода и водорода равно 0,957 А, так что мы представляем эту молекулу довольно неплохо.

Давайте рассмотрим некоторые свойства водяного пара или любого другого газа. Молекулы, будучи отделены одна от другой, будут ударяться о стенки сосуда. Представьте себе комнату с кучей теннисных шаров (сто или больше), без конца прыгающих по ней. Град их ударов будет давить на стенки изнутри (так что нам придется придерживать их извне). Наши грубые органы чувств (их чувствительность ведь не увеличилась в миллиард раз) ощущают этот град ударов лишь как обычный нажим. Чтобы удерживать газ в каком-то объеме, мы должны приложить некоторое давление. На рисунке 1.3 показан обычный сосуд для содержания газов (использующийся во всех учебниках) — цилиндр с поршнем. В данном случае форма молекул воды не имеет значения, поэтому для простоты мы изобразим

Рис. 1.2. Пар под микроскопом

Рис. 1.3. Цилиндр с поршнем

их в виде теннисных мячиков или просто точек. Они беспрерывно движутся во всех направлениях. Ударяясь о верхний поршень, множество молекул постоянно стремится вытолкнуть его из сосуда, и, чтобы воспрепятствовать этому, нам придется приложить к поршню определенную силу — давление (на самом деле сила — это давление, умноженное на площадь). Ясно, что сила пропорциональна площади, так как, если мы увеличим площадь, сохранив то же число молекул в кубическом сантиметре, то число столкновений с поршнем увеличится во столько раз, во сколько раз увеличилась площадь.

Теперь давайте поместим в тот же сосуд в два раза больше молекул, увеличив вдвое их плотность. Пусть их скорость (и, соответственно, температура газа) останется такой же. Тогда, в довольно строгом приближении, число столкновений удвоится, а поскольку каждое из них будет столь же «энергичным», как и раньше, то давление будет пропорционально плотности. Если принять во внимание истинный характер сил, действующих между атомами, мы могли бы ожидать небольшого снижения давления за счет увеличения притяжения между атомами, и небольшого роста давления из-за того, что они занимают конечный объем пространства. Тем не менее, с хорошей степенью точности, если плотность достаточно низкая и число атомов не слишком велико (т. е. при невысоких давлениях), давление пропорционально плотности.

Можно увидеть еще кое-что. Если мы повысим температуру газа (скорость атомов), не изменяя его плотности, что произойдет с давлением? Атомы будут с большей силой ударять о поршень, так как они движутся быстрее, и кроме того, ударять более часто, следовательно, давление возрастет. Вы видите, насколько просты идеи атомной теории.

Давайте рассмотрим другое явление. Предположим, что поршень двинулся внутрь, так что пространство, занимаемое атомами, медленно уменьшается. Что происходит, когда атом ударяется о движущийся поршень? Конечно, после удара его скорость повышается. Вы можете сами убедиться в этом, ударяя мячик для настольного тенниса движущейся ракеткой, и вы увидите, что он отскакивает с большей скоростью, чем до удара. (Характерный пример: если случится, что атом будет неподвижен, и поршень ударит по нему, он, конечно, придет в движение.) Так что атомы, отлетев от поршня, становятся «горячее», чем были до столкновения с ним. Следовательно, возрастет скорость всех атомов, находящихся в сосуде. Это означает, что если мы медленно сжимаем газ, его температура возрастает. При медленном сжатии газа температура возрастает, при медленном расширении — понижается.

Теперь вернемся к нашей капле воды и пойдем в другом направлении. Допустим, что мы понижаем ее температуру. Тогда вибрация молекул воды будет постепенно снижаться. Мы знаем, что между атомами существуют силы притяжения, так что через какое-то время они уже не смогут так вибрировать. Что бывает при очень низкой температуре, показано на рис. 1.4: молекулы сплетаются в новый узор. Образовался лед. Это схематическое изображение льда неточно, поскольку двумерно, но все же оно дает правильное представление. Интересно, что в веществе каждый атом занимает определенное место. Можно легко представить, что если бы нам удалось каким-то образом расположить все атомы на одном конце нашей капли в некотором порядке, то, в силу жесткой структуры атомных связей на другом конце в километрах отсюда (при нашем увеличении) атомы также займут строго определенное положение. Поэтому если мы потянем ледяную сосульку за один конец, другой ее конец не отделится, в отличие от воды, атомы которой беспорядочно движутся во всех направлениях. Таким образом, отличие между твердыми телами и жидкостями заключается в том, что в первых атомы выстроены в особом порядке, именуемом кристаллической решеткой, так что положение атомов на одном конце кристалла находится в строгой зависимости от расстановки атомов на противоположном конце, даже если их разделяют миллионы других атомов. На рис. 1.4 показана расстановка молекул льда, и хотя она отражает кое-какие свойства льда, в реальности порядок иной. Одно из характерных

Рис. 1.4. Молекулы льда

свойств, отраженных здесь, — это присутствие симметричных шестиугольников. Молено видеть, что при повороте на 120° воспроизводится тот же рисунок. То есть, льду свойственна симметрия, которая объясняет шестиугольную форму снежинок. Еще из этого рисунка можно понять, почему лед, растаяв, занимает меньший объем. Изображенная здесь разновидность кристаллической решетки имеет много «дыр», как и структура настоящего льда. Когда система разрушается, эти дырочки могут быть заполнены молекулами. Большинство простых веществ, за исключением воды и типичных металлов, при плавлении расширяются, так как в твердых кристаллах атомы плотно упакованы, а в жидком состоянии им требуется больше места для колебаний. Неплотные же кристаллы, такие как лед, при разрушении сжимаются.

Хотя лед обладает жесткой кристаллической структурой, его температура может меняться — в нем есть запас тепла. Мы можем, если пожелаем, изменить количество этого тепла. Что же это за тепло? Атомы льда не пребывают в неподвижности. Они вибрируют и колеблются. Даже когда существует определенный порядок в кристалле (структура), все атомы вибрируют «на месте». При повышении температуры они будут вибрировать со все большей амплитудой, пока, наконец, не станут выбивать друг друга со своих мест. Это называется плавлением. С понижением температуры вибрация все уменьшается до тех пор, пока, при абсолютном нуле, количество вибрации не станет минимально возможным для атома; но оно не будет равно нулю. Этого наименьшего количества движения, которое может иметь атом, недостаточно, чтобы расплавить тело. Есть исключение: гелий. Движение атомов гелия просто снижается до предельного минимума, но даже при абсолютном нуле этого движения все еще достаточно для того, чтобы гелий не замерз. Даже при абсолютном нуле гелий не замерзает, если только не сжимать его под высоким давлением. Повышая давление, мы можем получить твердый гелий.