1. Теория приходит на помощь
Почему при сжатии воздуха увеличивается его давление? Чем объяснить, что с уменьшением давления воздух расширяется? Говоря короче, в чём секрет упругости этого газообразного тела?
На эти вопросы современники Ломоносова давали такой ответ: в воздухе находится особая «материя упругости», она и расталкивает частички воздуха в разные стороны.
Такой маловразумительный, хотя и «учёный», ответ не удовлетворял великого учёного.
В самом деле, ну, а что же в таком случае представляет собой эта таинственная упругая материя? Об этом никто ничего не знал. Ломоносов начинает искать другое, правильное объяснение «упругой силы» воздуха. И на этот раз его могучим союзником является атомная теория.
«Мы считаем излишним, — пишет М. В. Ломоносов, — призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие — по обычаю века, изобилующего тонкими материями — применяют обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его».
Ломоносов считает, что упругая сила воздуха происходит от «непосредственного взаимодействия» его атомов.
Вот как рассуждает учёный. Воздух, как и все тела природы, состоит из огромного числа невидимых частичек-молекул. Молекулы эти находятся в постоянном движении. Двигаясь в самых различных направлениях, молекулы воздуха постоянно сталкиваются друг с другом, отскакивают друг от друга, но тут же вновь и вновь налетают друг на друга. Результатом этого является то, что движение молекул газа получается совершенно беспорядочным. Молекулы как бы стремятся разлететься в разные стороны.
«…отдельные атомы воздуха, — пишет М. В. Ломоносов, — взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками они стремятся рассеяться во все стороны».
И вот, если мы помещаем какое-то количество воздуха в закрытый сосуд, то его стремящиеся разлететься молекулы будут беспрерывно с силой ударяться о стенки сосуда. Эти удары, настолько частые, что мы не можем различить их в отдельности, и создают давление.
Ну, а что же происходит с движением молекул при сжатии газа? Сжимая воздух, то-есть уменьшая его объём, мы тем самым уменьшаем промежутки между его отдельными частичками-молекулами. Молекулам остаётся меньше свободного места для движения. Столкновения частиц учащаются, и в каждую секунду о стенки сосуда ударяется большее количество молекул. Давление газа возрастает.
Так великий русский учёный, приняв атомные представления как рабочую гипотезу, просто и убедительно объяснил природу упругой силы газов. Это было в 1745 году.
Давая истинное объяснение теплоты, о котором мы рассказывали в первой главе, М. В. Ломоносов также исходит из атомных представлений о строении вещества. В самом деле, он говорит, что «теплота состоит во внутреннем движении материи», а внутреннее движение материи — это такое движение, при котором имеется «…перемена места мельчайших частичек материи». Иными словами, теплота характеризуется движением атомов и молекул. Мы не замечаем этого движения «вследствие малости частичек».
«Открытие, что теплота представляет собой некоторое молекулярное движение, составило эпоху в науке», — писал позднее Ф. Энгельс.
Ломоносов с гениальной прозорливостью наметил пути развития атомно-молекулярной теории на многие десятилетия вперед.
Спустя полвека после Ломоносова, когда был открыт важный закон химии — закон кратных отношений, — атомная теория получила новое убедительное подтверждение.
О чём говорит этот закон?
А вот о чём. Вспомните закон постоянства состава. Согласно этому закону химическое соединение двух простых тел осуществляется всегда одинаково — на определённое весовое количество одного элемента приходится также определённое количество другого элемента. В качестве простого примера этого приводилась вода; в ней 88,9 весовой части кислорода соединяются точно с 11,1 части водорода. Всякое другое соединение кислорода и водорода воды уже не даёт. Однако другие соотношения возможны. Так, и у кислорода с водородом существует другое соединение, уже упоминавшееся нами, — перекись водорода. И вот, естественно, возникает такой вопрос: скажем, мы имеем два простых тела — газы азот и кислород. Они, как и многие другие элементы, дают между собой не одно химическое соединение, а несколько. Известны, например, закись азота, окись азота, азотистый ангидрид и другие соединения азота с кислородом. Есть ли какая-нибудь связь между этими соединениями двух одинаковых элементов или нет? Вот на этот вопрос и был дан ответ в первой четверти XIX столетия.
Почему в разных химических соединениях каких-либо двух элементов содержится разное по весу количество этих элементов? Теперь уже не было никаких сомнений в том, что причину этого надо искать в атомной природе вещества. Когда два простых тела соединяются друг с другом в разных соотношениях, это означает, что соединяется в молекулы неодинаковое число их неделимых и имеющих равный вес атомов. Но каждый из этих двух элементов состоит из атомов, отличных друг от друга как по величине, так и по массе. Значит, и в молекулах химического соединения (то-есть в самом химическом соединении) входящие в них атомы будут неодинаковы по весу — одни легче, другие тяжелее. Возьмите, например, окись азота, молекулы которой состоят из одного атома кислорода и одного атома азота. В ней на 46,7 весовой части азота приходится 53,3 части кислорода. Это означает, что атомы кислорода, содержащиеся в окиси азота, тяжелее атомов азота, входящих в это соединение, в 1,14 раза.
Ну, а если два элемента дают между собой несколько различных химических соединений, тогда как?
Очевидно, что различие этих соединений заключается в том, что атомы двух элементов соединяются как-то иначе. Если, скажем, в первом случае один атом азота соединяется с одним же атомом кислорода, то ведь можно ожидать и другого — с одним атомом азота могут соединяться два или три атома кислорода; или, наоборот, к двум атомам азота может присоединяться один атом кислорода. Или, может быть, два атома азота соединятся с тремя атомами кислорода и т. д. Только так могут образовываться молекулы сложных соединений, только из целых атомов, а не из половинок или четвертушек их строятся молекулы.
Отсюда следует, что, сколько бы ни возникало различных химических соединений двух элементов, во всех этих соединениях весовые количества одного элемента, приходящиеся на одну весовую часть другого, должны относиться между собою, как простые целые кратные числа — 1, 2, 3 и т. д. Ведь соединяются-то друг с другом только целые атомы.
И учёный Дальтон так формулирует закон: когда два каких-либо элемента образуют между собой несколько различных химических соединений, то весовые количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одно и то же количество другого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях, то-есть относятся друг к другу, как целые числа.
Следует отметить, что, конкретизируя некоторые положения атомного учения, Дальтон не поднимался, однако, до уровня идей ломоносовского учения об атомах и молекулах в целом. Так, он отрывал движение от вещества, что было шагом назад в сравнении с гениальной идеей Ломоносова о неразрывности материи и движения.
Дальтон проверил закон кратных отношений на газообразных соединениях. Сперва учёный взял для испытания два газа — болотный газ, или метан, и маслородный газ (последний теперь называют этиленом). Оба этих газа представляют собой соединение двух элементов — углерода и водорода. И вот оказалось, что на одно и то же количество углерода водорода приходится в болотном газе ровно вдвое больше, чем в маслородном.
Точно так же в различных соединениях кислорода с азотом на одно и то же количество последнего приходится кислорода ровно в два, три и т. д. раза больше, чем в том соединении, где кислорода наименьший процент. На одну весовую часть азота приходится кислорода: в одном соединении — 0,57 части, в другом — 1,14 части, в третьем — 1,71 части и т. д. Другими словами, эти содержания кислорода относятся друг к другу, как простые целые числа: 0,57 относится к 1,14, как 1 к 2, к 1,71 как 1 к 3 и т. д.
После опубликования этих работ атомно-молекулярная теория получила широкое признание.
По примеру великого русского ученого М. В. Ломоносова, ею стал пользоваться в своей работе почти каждый учёный. И каждое новое открытие, каждый новый факт в физике и химии тут же находил своё объяснение с точки зрения этой теории.
Но в то время ещё не существовало прямых доказательств существования молекул и атомов. Неясно было, сколько различных видов частиц имеется кругом нас. Как они выглядят? Каким образом из них строятся различные тела?
Это давало возможность идеалистам не признавать реальности атомов и молекул, называть их «плодом человеческого воображения».
Перед учёными возникла новая задача — доказать, что атомы и молекулы реально существуют.