Рассказ о строении вещества, стр. 13

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.

3. Сколько молекул в капле воды

Человеку, привыкшему иметь дело с большими вещами, трудно представить себе величину отдельного атома, отдельной молекулы.

Возьмём, например, каплю воды. Как вы думаете, сколько молекул воды содержится в этой капле?

Оказывается, около 1 600 000 000 000 000 000 000. Трудно даже назвать такое число. Это — тысяча шестьсот миллиардов раз по миллиарду частиц! Вот насколько малы эти материальные частички.

Представим себе на минуту, что мы отметили каким-то образом молекулы, содержащиеся в капле, так, что узнаём их в любом месте (а сейчас это умеют делать!), и выпустили эту каплю в самый большой водоём мира. Предположим, что через какой-то промежуток времени меченые молекулы разойдутся по всему водоёму. Как вы думаете, легко ли будет найти после этого наши меченые молекулы? Очень легко! Зачерпните в любом месте водоёма ведро воды, и вы найдёте в нем десятки меченых молекул капли воды!

Столь же малы и молекулы твёрдых тел. Возьмите крупинку поваренной соли и бросьте её в ведро с водой. Соль растворится, её молекулы разбегутся по всей воде, находящейся в ведре. На вкус вы не почувствуете этой соли. Но можно легко обнаружить эти невидимые частицы иным путём. Для этого достаточно внести в пламя маленькую капельку воды из нашего ведра. Пламя огня сразу сделается жёлтым. Это значит, что в капельке есть молекулы соли — пламя желтеет от металла натрия, входящего в состав поваренной соли.

Таким путём можно обнаружить в капле воды одну миллиардную долю грамма соли! Значит, вес одной молекулы соли должен быть уж никак не больше этой величины.

Ещё меньшее количество вещества можно обнаружить при помощи обоняния. Вот какие, например, опыты были проделаны однажды двумя учёными. Один из них распылял в пустой комнате небольшие количества различных пахучих веществ и затем тщательно перемешивал воздух. После этого сюда входил второй учёный и определял, чем пахнет в комнате. Если человек чувствовал запах, то, зная количество распылённого пахучего вещества в комнате и объём этой комнаты, было уже нетрудно определить, какое количество вещества мы сможем уловить обонянием.

Оказалось, что мы способны чувствовать запах некоторых особенно пахучих веществ даже в том случае, если в нос попадает всего одна пятисотмиллиардная доля грамма этого вещества! Значит, в одном грамме такого вещества содержится никак не меньше чем 500 миллиардов молекул.

Нельзя ли, однако, каким-либо способом измерить невидимые молекулы более или менее точно? Можно. И таких способов имеется не один, а несколько. Вот, например, как можно определить величину молекулы масла. Капните капельку масла на воду; масло образует на ней тонкую плёнку. Эту плёнку можно сделать настолько тонкой, что она станет невидимой. Но в том, что плёнка существует, нетрудно убедиться при помощи кусочка камфары. Брошенная в чистую воду камфара, растворяясь, энергично движется по поверхности. Но если на воде находится плёнка масла, хотя бы и невидимая на глаз, камфара не движется. Используя таким образом камфару для обнаружения плёнки масла, делают плёнку такой тонкой, что она начинает разрываться на части. Но ведь в момент, предшествующий разрыву, плёнка масла, надо думать, состоит, по крайней мере, из одного слоя молекул. Значит, если подсчитать, какую площадь занимает в этот момент маленькая капля с известным нам объёмом, то нетрудно уже и определить путём расчёта размер масляных молекул.