Как же можно доказать реальность существования атомов и молекул?
Увидеть эти частички непосредственно очень трудно — они слишком малы. Однако в настоящее время в распоряжении учёных имеется много других, совершенно достоверных доказательств существования атомов и молекул. Существование этих частичек доказывается при помощи различных специальных приборов и опытов.
Раньше, в главе III, мы уже приводили некоторые косвенные доказательства существования атомов. Здесь мы расскажем ещё о нескольких простейших опытах, подтверждающих существование невидимых частичек вещества.
Однажды был проведён такой опыт. На отполированную свинцовую пластинку была положена и прижата к ней пластинка золота. Спустя несколько месяцев пластинки спаялись. Когда пластинки разрезали поперёк, то обнаружили, что в золоте на глубине до 1 миллиметра находятся мельчайшие частички свинца, а в свинце — частички золота.
Такое проникновение одного вещества в другое обычно называют диффузией.
Чем же можно объяснить диффузию мельчайших частичек золота и свинца в описанном опыте? Только одним — «зернистым» строением этих металлов. Отдельные атомы золота, находясь в движении, пробиваются между атомами свинца вниз; в свою очередь часть атомов свинца проникает между атомами золота вверх.
Диффузия частичек вещества наблюдается и среди жидкостей и среди газов.
Возьмите полстакана крепкого раствора медного купороса и влейте туда осторожно по стенке при помощи палочки немного чистой воды. Вода легче раствора купороса, поэтому она расположится отдельным слоем поверх него. Оставьте этот стакан в покое на длительное время и посмотрите, что произойдет со слоями воды и медного купороса.
Оба слоя обязательно перемешаются без каких-либо видимых причин.
В школах часто проделывают такой опыт. Толстостенный стакан с отшлифованными краями заполняют углекислым газом, который, как известно, значительно тяжелее воздуха. Затем сверху закрывают этот стакан другим, наполненным воздухом, и, не трогая с места оба стакана, оставляют их в покое на некоторое время.
Если после этого проверить содержимое обоих стаканов, то окажется, что тяжёлый углекислый газ проник из нижнего стакана в верхний, а более лёгкий воздух частично перешёл в нижний стакан и перемешался с углекислым газом.
Как можно объяснить оба последних примера с диффузией жидкостей и газов? Тем же самым. Молекулы углекислого газа и медного купороса пробиваются между молекулами воздуха и воды вверх; в то же время отдельные молекулы воздуха и воды проталкиваются между частичками углекислого газа и купороса вниз.
Диффузия жидкостей и газов наблюдается и в тех случаях, когда их разделяют какие-либо пористые перегородки. Так, если налить тот же медный купорос в свиной пузырь, крепко завязать его и опустить в банку с водой, то спустя некоторое время вода в банке окрасится — молекулы купороса проникнут через поры пузыря наружу в чистую воду.
Интересный опыт доказательства существования невидимых частичек вещества был произведён одним физиком. Он брал толстостенный стальной цилиндр, наполнял его маслом и сжимал масло под огромным давлением в несколько тысяч атмосфер. При этом, хотя сталь и не пористое тело, масло просачивалось через стенки цилиндра!
Все эти опыты говорят нам о том, что все окружающие нас тела действительно состоят из атомов и молекул.
Но какими силами удерживаются вместе эти отдельные невидимые частички твёрдых и жидких тел? Они удерживаются особыми так называемыми «силами сцепления». Именно этими силами и объясняется то, что для разрушения какого-либо твёрдого тела мы всегда должны затрачивать какую-то работу — эта работа необходима для преодоления сил сцепления отдельных частичек тела.
Лишь в телах газообразных отдельные частички совсем не связаны друг с другом. Поэтому любой газ всегда сам стремится распространиться, разлететься в разные стороны.
Говоря о реальном существовании атомов и молекул, нельзя не упомянуть об их неотъемлемом свойстве. Это свойство с совершенной очевидностью подтверждается многими из тех опытов, которые доказывают и самое существование невидимых частиц вещества.
Речь идёт о движении молекул. Вспомните хотя бы опыты с диффузией в газах, жидкостях и твёрдых телах.
Или всем известное явление переноса запахов на расстояние. О чём ещё говорят, кроме самого факта существования мельчайших частичек, эти опыты?
О постоянном, непрерывном движении молекул.
В самом деле, чем можно объяснить тот факт, что более тяжёлые молекулы углекислого газа и медного купороса поднимаются кверху и перемешиваются там с более лёгкими частицами воды и воздуха? Это можно объяснить только одним — непрерывным движением этих молекул.
Только движением молекул можно объяснить и диффузию в твёрдых телах и явление пахучести отдельных веществ.
Очевидно, что проникнуть на большое расстояние внутрь твёрдого вещества или оторваться, преодолевая силы сцепления, от поверхности какого-то твёрдого тела могут только частички, находящиеся в состоянии постоянного движения.
Впервые о движении мельчайших материальных частичек вещества совершенно чётко и подробно сказал наш великий Ломоносов, — вспомните его объяснение давления в газах!
Вот что сейчас известно учёным о движении молекул.
Как вы знаете, любое тело может находиться в трёх состояниях — в твёрдом, жидком и газообразном. Во всех этих трёх случаях движение молекул тел различно. Если это газ, то молекулы его находятся в совершенно беспорядочном движении; они стремятся разлететься в разные стороны и беспрерывно сталкиваются друг с другом. Именно поэтому газ не имеет определённой формы и не занимает определённого объёма; одно и то же количество газа может занимать сколь-угодно большой объём.
Если это жидкость, молекулы её также движутся в самых различных направлениях, сталкиваются друг с другом каждое мгновение; но здесь каждая отдельная молекула уже не может совсем оторваться от других: молекулы слишком близко находятся друг около друга, и между ними действуют силы сцепления. Поэтому жидкость уже имеет определённый объём.
И у твёрдого тела частички не находятся в покое. Правда, здесь каждая частичка как бы привязана к определённому месту и не движется поступательно, а лишь колеблется около своего положения равновесия.
Поэтому твёрдое тело имеет определённые как объём, так и форму.
С движением молекул связаны многие свойства тел. Так, например, как мы уже говорили, в прямой зависимости от движения невидимых частичек находится теплота.
Согласно современным воззрениям скорость движения молекул любого тела характеризует его температуру. Чем быстрее молекулы тела колеблются или движутся, тем это тело теплее. Когда мы нагреваем какой-нибудь твёрдый предмет, скажем, на огне, мы ускоряем колебания его молекул за счёт энергии, излучаемой раскалёнными газами пламени. Предмет нагревается. Наоборот, при охлаждении мы замедляем эти колебания. Чем сильнее мы нагреваем какое-либо тело, тем быстрее и быстрее движутся его невидимые частички. Если это твёрдое дело, то постепенно, с повышением температуры, промежутки между его отдельными частичками увеличиваются.
Этим-то и объясняется наблюдаемое в действительности расширение многих тел при нагревании. Такое увеличение промежутков между частичками тела может привести к тому, что форма тела уже не сможет сохраниться. Силы сцепления не смогут удержать частички на своих местах. Тогда тело расплавляется, превращается в жидкость. При этом отдельные частички жидкости приобретают такие скорости движения, что отрываются с поверхности жидкости. Говорят, жидкость испаряется. С повышением температуры жидкости число отрывающихся частичек будет увеличиваться. Жидкость будет испаряться быстрее.
В обратном случае, когда движение частичек замедляется, мы наблюдаем превращение газа в жидкость — сжижение газа, а жидкости — в твёрдое тело — затвердевание жидкости. Уменьшить скорости движения молекул можно путём понижения температуры. Вот почему и превращается вода в лёд, если температура её падает до 0 градусов.
Но ведь из этого следует, что любой газ можно превратить в жидкость и твёрдое тело!
Да, можно! И учёные в наше время умеют это делать со всеми газами. Так, можно, например, превратить в жидкость все составные части воздуха. Для этого необходимо лишь сильно понизить температуру этих газов, почти до 200 градусов мороза.
Движение молекул можно увидеть и почти непосредственно.
Один ботаник ещё более ста лет назад наблюдал странное явление. Рассматривая под микроскопом внутреннее строение растения, он заметил, что крошечные частички вещества, плавающие в соке растения, беспрерывно движутся во всех направлениях. Какие силы заставляют частички двигаться? Может быть, это какие-то живые существа? Учёный решил рассмотреть под микроскопом мелкие частички глины, взмученные в воде. Но и эти, несомненно, неживые частички не находились в покое; они были охвачены непрерывным движением (рис. 4).
Рис. 4. Мелкие частички глины, взмученные в воде, находятся в беспрерывном движении. На рисунке показаны пути движения трех таких частичек.
Чем меньше были частички, тем быстрее они двигались. Долго рассматривал ботаник такую каплю воды. Но так и не мог дождаться, когда движение частичек прекратится. Выходило, что их как бы постоянно толкали какие-то невидимые силы.
Что это были за силы? Человек, первый заметивший пляску частичек, умер, не найдя ответа. Правильная разгадка этого явления была найдена много позднее. Оказывается, это невидимые молекулы жидкости ударяются беспрерывно о частички вещества и приводят их в движение.
Конечно, видимые под микроскопом частички, в сравнении с отдельными молекулами жидкости, очень велики — они не «чувствуют» ударов отдельных молекул. Но всё дело в том, что в одно и то же время о каждую частичку ударяются многие тысячи молекул, и при этом сила ударов молекул не одинакова с разных сторон каждой отдельной частички. В результате таких ударов частички вещества и мечутся в жидкости в самых различных направлениях. Сколько бы вы ни смотрели на такие частички, вы не дождётесь того момента, когда их движение прекратится. Это и понятно, ведь тепловое движение молекул на земле никогда не прекращается.
В некоторых минералах, например в кварце, можно найти включённые капельки жидкости, не высыхающие очень долгое время. И вот, когда учёные стали рассматривать такие капли под микроскопом, то обнаружили, что и здесь пылинки, находящиеся в жидкости, совершают беспрерывное, беспорядочное движение!
И вот вам, наконец, ещё один очень наглядный опыт, доказывающий как существование невидимых частичек, так и их движение.
Подсчитано, что любая молекула газа, например молекула воздуха, при атмосферном давлении и комнатной температуре каждую секунду испытывает огромное число столкновений — в среднем около 50 миллиардов. Расстояние, которое проходят молекулы в этом случае без столкновения, ничтожно мало — в среднем около одной стотысячной доли миллиметра. Однако свободный путь молекулы можно увеличить, если уменьшить давление газа, другими словами, откачать из сосуда большинство его молекул. И если довести давление газа до одной миллионной доли миллиметра ртутного столба, то в нём останется уже так мало молекул, что каждая из них будет пролетать, не сталкиваясь с другой, по нескольку десятков метров. Таким образом, в сосуде, содержащем такой разрежённый газ, молекулы будут свободно, без столкновений, пролетать от стенки до стенки.
Воспользовавшись этим, можно поставить опыт, наглядно доказывающий существование атомов металла и их движение.
Сосуд, из которого по возможности откачан весь воздух, разделён на две части перегородкой с небольшим отверстием. В одной половине такого сосуда начинают испарять какой-либо легкоплавкий металл. Атомы металла, отрываясь от куска, разлетаются во все стороны и при этом не сталкиваются на своём пути с оставшимися молекулами воздуха и друг с другом благодаря тому, что раньше ударяются о стенки сосуда и прилипают к ним. Какая-то часть этих атомов проникает через отверстие в перегородке и во вторую половину сосуда и здесь движется прямолинейно, пока не ударится о стенку. Таким образом, на стенке сосуда, вскоре после того как вы начнёте испарение металла, появится резко ограниченное пятно, по форме одинаковое с отверстием в перегородке. Это пятно — тончайший слой атомов металла, прилипших к стенке сосуда. Выходит, что атомы металла, пролетая в виде «атомного пучка» через отверстие, создают на противоположной стенке как бы «изображение» этого отверстия. Если же на пути такого «атомного луча» поместить какое-нибудь препятствие, скажем, маленькую звёздочку, то на месте пятна на стенке вы увидите «тень» от этой звёздочки.
Таким опытом доказывают как существование атомов металла, так и их движение.
А нельзя ли все-таки, как ни малы атомы и молекулы, увидеть их непосредственно?
До самого последнего времени учёные твёрдо отвечали нам: нет, этого сделать нельзя, слишком малы эти невидимые частички.
Так было. Но теперь, с изобретением нового изумительного прибора — электронного микроскопа — этот ответ уже неверен. Можно увидеть молекулы!
Посмотрите на рисунок 5.
Рис. 5. Снимок молекул гемоцианина, как они видны в электронном микроскопе.
Вы видите на нём изображение молекул одного сложного химического соединения — гемоцианина.
Правда, это одни из крупнейших молекул, встречающихся в природе, но это первые молекулы, которые люди увидели собственными глазами!
Чтобы понять, насколько это действительно замечательное достижение человеческого ума, нужно ясно себе представить, как малы атомы и молекулы.