Свойства тел и явления природы Ломоносов объясняет движением и взаимодействием частиц материи. Фактически основой его атомной теории стало положение о неразрывности материи и движения, в противоположность старой теории, считавшей движение чем-то внешним по отношению к атомам.
Сходных взглядов придерживался современник Ломоносова, талантливый швейцарский физик, член Петербургской Академии наук Даниил Бернулли. Однако большинством иностранных ученых идеи Ломоносова были встречены чрезвычайно враждебно. В 1754 году некий Арнольд для получения ученой степени в Эрлангенском университете (Германия) написал сочинение, в котором «с успехом доказал» неправильность объяснения теплоты, которое было дано Ломоносовым.
Но беспристрастный суд истории показал, что прав был Ломоносов: учение об атомах завоевало всеобщее признание.
Однако это произошло далеко не сразу.
Первоначально атомное учение прочно укрепилось в химии. Этому много способствовали труды английского ученого Джона Дальтона, который убедительно показал, какие замечательные перспективы открывает применение атомного учения в химии. Сложные законы химических превращений делались простыми и ясными, стоило только признать, что вещество состоит из мельчайших неделимых частиц. Атомное учение позволяло узнавать состав сложных соединений, сознательно искать пути получения новых веществ, предвидеть возможный результат химических превращений.
Атомное учение дало возможность не только объяснить открытые опытным путем законы, определяющие поведение вещества, но и предсказать новые явления и закономерности, до того неизвестные.
Однако и это не обеспечило признания реальности атомов. Еще во второй половине прошлого столетия идеалисты разных мастей всячески пытались помешать распространению атомного учения. Многие горе-теоретики утверждали, что атомы — это плод человеческой фантазии, а успехи атомной теории — это всего лишь случайная удача предположения, не имеющего под собою твердой почвы.
Только в результате длительной и напряженной борьбы, в которой атомное учение отстаивалось передовыми исследователями различных стран, оно сделалось общепризнанным.
В этой борьбе особенно велики заслуги английского физика К. Максвелла, немца Р. Клаузиуса, австрийского физика Л. Больцмана, польского ученого М. Смолуховского и недавно умершего друга Советского Союза француза Ж. Перрена.
Совместная работа лучших ученых мира подтвердила гениальную мысль Михаила Васильевича Ломоносова о том, что свойства тела определяются свойствами образующих его частиц, их расположением и движением.
Молекулы
Итак, все в мире состоит из мельчайших частиц, которые Ломоносов называл корпускулами, а мы называем молекулами.
Если делить крупинку сахара или каплю воды на все более и более мелкие части, то рано или поздно мы придем к предельно малой частице — молекуле. Молекула сохраняет еще свойства, присущие данному веществу: молекула воды сохраняет свойства воды, молекула сахара — свойства сахара.
Насколько малы молекулы и как много их в любом теле, можно видеть из такого примера. Представьте себе, что мы взяли стакан воды и при помощи особой краски переметили все находящиеся в нем молекулы воды. Выльем этот стакан воды с мечеными молекулами в океан и перемешаем воду равномерно между всеми океанами, морями и реками мира. Если теперь в любом месте зачерпнуть стакан воды, то в нем окажется около сотни знакомых нам меченых молекул.
Молекулы так малы, что трудно представить себе их состоящими из еще более мелких частиц. А между тем молекулы действительно состоят из еще более мелких частиц, которые теперь и называются атомами.
Рис. 4. Если сложить вместе столько песчинок, сколько содержится молекул воздуха в одном кубическом сантиметре, то получится куча, которая закроет большой завод.
Однако если разделить молекулы на атомы, то присущие данному веществу свойства будут потеряны. Молекула воды распадется на атом кислорода и два атома водорода. Водород и кислород — газы; по своим свойствам они совсем не похожи на воду.
Физические и химические свойства молекул зависят от того, из каких атомов состоит молекула. На рисунке 5 изображены молекулы веществ, знакомых нам из повседневной жизни.
Рис. 5. Модели молекул: а — кислорода, б — углекислого газа, в — бензола.
Молекула углекислого газа получается в результате соединения атома углерода с двумя атомами кислорода; в молекуле химического вещества, называемого бензолом, содержится шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода. Встречаются молекулы более сложные, но есть и такие, которые состоят всего из одного атома.
Если заменить хотя бы один из атомов, входящих в молекулу, другим, свойства ее изменятся. Молекула воды состоит, например, из одного атома кислорода и двух атомов водорода (рис. 6).
Рис. 6. Молекула воды.
Если один из атомов водорода в молекуле воды заменить на атом металла натрия, то получится молекула вещества, называемого едким натрием, или едкой щелочью. Едкий натрий — твердое вещество, по своим свойствам совершенно непохожее на воду. Свойства молекул, однако, зависят не только от того, какие атомы входят в их состав, но и от того, как они расположены. В этом можно убедиться, рассмотрев две молекулы, изображенные на рисунке 7.
Рис. 7. Две молекулы, различающиеся расположением атомов.
Каждая из них содержит 4 атома углерода и 10 атомов водорода, но свойства этих молекул различны.
Причиной тому — разное расположение атомов.
Атомы в молекулах располагаются не как угодно. Их размещение подчиняется определенным законам. В приведенном примере возможны только два расположения атомов, а следовательно, только две различные молекулы с одним и тем же составом. При увеличении числа атомов в молекуле количество возможных расположений их быстро возрастает; так, у молекулы, состоящей из 13 атомов углерода и 28 атомов водорода, возможны уже 802 различных расположения атомов, и, следовательно, у вещества с таким составом мыслимы 802 различные молекулы.
В этой книжке будет рассказано о таких свойствах и превращениях тел, при которых состав молекул остается неизменным. Поэтому мы в дальнейшем изложении для простоты условно будем считать молекулы очень маленькими твердыми шариками с определенными, неизменными свойствами, не задумываясь о том, как в действительности они устроены.
Несмотря на то, что молекулы нельзя было увидеть даже в самый сильный из обычных микроскопов, ученые нашли способы с полной достоверностью доказать их существование. А в недавнее время удалось построить замечательный прибор — электронный микроскоп, который увеличивает настолько сильно, что с его помощью можно увидеть и отдельные молекулы. На рисунке 8 изображена сделанная при помощи электронного микроскопа фотография одного сложного химического соединения. Правда, такие молекулы являются гигантами в мире молекул. Обычные же молекулы настолько малы, что и в электронный микроскоп мы не можем их увидеть.
Рис. 8. Электронный микроскоп и полученная с его помощью фотография молекул одного сложного химического соединения.
Вечное движение
Каковы же свойства молекул?
«Первым и самым важным из прирожденных свойств материи является движение», — писали около ста лет назад Маркс и Энгельс. Молекулы не находятся в покое, а непрестанно движутся.
Очевидно, и частицы воздуха, беспорядочно двигаясь, непрерывно ударяются о нас, как бы обстреливают наши тела. Почему же мы не чувствуем этих ударов? Объясняется это очень просто. Молекулы, как мы знаем, чрезвычайно малы и легки, и наши органы чувств не воспринимают слабых ударов отдельных молекул. Не чувствуем же мы увеличения тяжести надетой на голову шляпы, когда на нее сядет комар. А комар состоит из многих миллиардов молекул!
Другое дело, если быстро движущаяся молекула ударяется об очень маленькую частицу, по размерам сравнимую с ней. В этом случае удар уже не пройдет бесследно для частицы.
Каждый из вас не раз наблюдал, конечно, как солнечный луч, попадая в темную комнату через щель ставни или неплотно задернутую штору, пронизывает воздух и делает видимым множество находящихся в нем мельчайших пылинок. Какое беспорядочное движение можно наблюдать при этом! Пылинки причудливо мечутся и кружатся, напоминая рой мошек в теплый летний вечер. Такое же беспорядочное движение можно увидеть, если, вооружившись микроскопом, присмотреться к частичкам дыма обычной папиросы. И такое же причудливое движение совершают мельчайшие частицы, если поместить их в жидкость. Сложные запутанные узоры выписывают, например, частицы цветочной пыльцы, высыпанной в воду.
Пылинки неутомимы в своем движении! Сколько бы времени вы ни наблюдали их — час, день, неделю, они с одинаковым усердием будут продолжать свою бесконечную пляску. В чем причина этого движения? Что заставляет частицы постоянно изменять свой путь, неожиданно бросаться в сторону, как будто наскочив на невидимое препятствие?
На первый взгляд ответ очень прост: ведь окружающий нас воздух никогда не бывает полностью спокоен. Даже когда нет ощутимого ветра, и тогда движутся навстречу друг другу и взаимно перемешиваются потоки теплого и холодного воздуха. Такие же тепловые потоки наблюдаются и в воде, нагретой в одном месте больше, чем в другом.
Не эти ли потоки, сталкиваясь друг с другом и взаимно перемешиваясь, заставляют пылинки двигаться? Ну что же, это можно проверить! Возьмем стакан с водой, к которой подмешана цветочная пыльца, обмотаем его ватой, чтобы защитить и от нагревания и от охлаждения, и поставим на стол вдали от окна. Пройдет несколько часов или, если хотите, дней, и вся жидкость сделается одинаково нагретой — тепловые потоки в ней исчезнут. Вероятно, и наши пылинки, не подгоняемые более, перестали двигаться? Но вооружимся микроскопом, и мы снова увидим, что среди пылинок царит прежнее оживление: как и раньше, они беспорядочно мечутся, гонимые какой-то неведомой силой.