Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор (библиотека книг .txt) 📗
Рассмотрим несколько примеров. Мы видели, что в вольфрамовой игле атомы расположены в виде правильного узора. Как же они могут совершать беспорядочные движения? Будучи нагреты, они колеблются вокруг предписанных им мест, совокупность которых образует упорядоченную структуру. Конечно, это возвратно-поступательное движение частично обусловливает размытость картины на фото III.
При более высокой температуре ее размытость еще увеличивается. При очень высокой температуре размах колебаний становится сравнимым с расстоянием между соседними атомами и их расположение перестает быть упорядоченным. Это происходит при нагреве металла до температуры его плавления.
В газе, например в воздухе, тепловое движение молекул — это обычное прямолинейное движение, когда каждая молекула перемещается в пространстве хаотическим образом, сталкиваясь с другими молекулами и со стенками. Чем выше температура, тем быстрее движение. В холодный день (—18 °C) средняя скорость молекул воздуха примерно равна 400 м/сек (1440 км/час), а в жаркий день (38 °C) — приблизительно 440 м/сек (1600 км/час). Разница между очень холодным и очень жарким днем дает различие скоростей, равное лишь 10 %. Мы замечаем эту разницу в скоростях по изменению давления в автомобильных шинах. Давление воздуха обусловливается ударами его молекул о стенки (сосуда); передаваемый стенкам импульс пропорционален квадрату скорости [27]. Уменьшение скорости молекул на 10 % вызывает уменьшение импульса на 20 %, и поэтому при снижении температуры с +38 °C до —18 °C давление в шинах падает на 20 %.
Несмотря на огромную скорость движения молекул при обычных температурах, они не «улетают» очень далеко. Их «полет» постоянно прерывается столкновениями с другими молекулами. В воздухе их средний свободный и непрерываемый путь составляет только одну стотысячную долю сантиметра. Поэтому их полет больше всего напоминает беспорядочное метание с указанной выше скоростью, причем направление движения изменяется через каждую стотысячную сантиметра пути.
Тепловое движение в любом веществе, твердом или газообразном, полностью прекращается при —273 °C, так называемом абсолютном нуле температуры. При этой температуре все беспорядочное движение молекул прекращается, и ясно, что она является наименьшей возможной температурой.
Молекулы и атомы
Можно ли разделить описанные выше наименьшие единицы материи на еще меньшие? Можно, но тогда эти части уже не будут принадлежать тому же веществу. Молекула воды есть наименьшая единица воды. Части этой молекулы окажутся уже не водой, а водородом и кислородом.
Разбить молекулу на ее составные части значительно труднее, чем разбить само вещество на молекулы. Например, когда мы кипятим воду и получаем пар, мы разделяем вещество воды на молекулы. Вода в форме пара — это газ, частицы которого, молекулы, летают в пространстве каждая в отдельности, но оставаясь неразделенной, целой единицей. Но если через пар пропустить мощный искровой разряд, то часть молекул раздробится, и мы получим водород и кислород. Искра — значительно более сильный источник энергии, чем процесс кипячения. В некоторых случаях сильное нагревание тоже расщепляет молекулы и превращает одно вещество в другое.
Опыт, накопленный за все время развития химии, показал, что некоторые вещества можно разложить в другие интенсивным нагреванием, электрической искрой или другим сильным воздействием и что два вещества можно соединить, получая при этом новое химическое соединение. Водород и кислород можно соединить в воду, а кусок кварца можно разложить на кислород и кремний.
Один из самых важных моментов в истории человечества наступил, вероятно, около 3000 лет до нашей эры, когда человек впервые поместил некоторые похожие на землю вещества (вероятно, куприт или свинцовый блеск) на раскаленные угли. При этом получилось новое вещество — медь или свинец. Большинство металлов, например железо, медь, свинец, цинк и т. д., суть воистину вещества, приготовленные человеком; они редко встречаются в природе; исключением служат очень мелкие самородки (например, меди) и железоникелевые сплавы, приходящие из космического пространства в виде метеоритов. Объясняется это очень просто: чистые металлы не сохраняются, если они подвержены действию кислорода воздуха. Большинство металлов с течением времени связывается с кислородом и образует химические соединения, представляющие собой те же похожие на землю вещества, из которых сами металлы были извлечены. Человек может превратить эти руды в чистые металлы на период времени, достаточный для практических применений, но очень короткий по сравнению с возрастом Земли.
Изучение процессов, в которых одни вещества превращаются в другие, позволило установить очень важный факт: все, действительно все существующие вещества можно разложить на 92 основных вещества, называемых элементами. Каждый кусок вещества, где бы он ни был найден и в каком бы агрегатном состоянии он ни находился, всегда или сам представляет собой элемент, или состоит из элементов. Вещество, наименьшая единица которого является комбинацией нескольких элементов, называется химическим соединением.
Многие хорошо известные нам вещества представляют собой настоящие элементы. Все чистые металлы, например золото, серебро, железо, свинец, алюминий и т. д., суть элементы. Многие газы, например водород, кислород или азот, также являются элементами, но другие газы, такие, как светильный или углекислый газы, суть химические соединения. Большинство хорошо известных жидкостей — это химические соединения. Наименьшая единица элемента называется атомом; наименьшая единица химического соединения — молекулой. Так как все химические соединения можно разложить на элементы, наименьшая единица химического соединения должна быть составлена из наименьших единиц элементов. Следовательно, каждая молекула представляет собой конгломерат атомов; она состоит из атомов тех элементов, из которых состоит само химическое соединение. Они как-то подходят друг другу и образуют устойчивую единицу, молекулу, наделенную всеми химическими свойствами того вещества, чьей единицей она является.
Вода — это химическое соединение водорода и кислорода. Наименьшими единицами элементов водорода и кислорода служат атомы водорода и кислорода [28]. Наименьшей единицей воды служит молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2O); они связаны так прочно, что разъединить их может только электрическая искра.
Существуют как большие молекулы, так и маленькие. Молекула воды состоит только из трех атомов; молекула этилового (винного) спирта — из девяти атомов: одного атома кислорода, двух атомов углерода и шести атомов водорода. Некоторые молекулы, встречающиеся в живом веществе, например белки, состоят из сотен и тысяч атомов.
Открытие 92 элементов и их атомов было самым важным шагом в понимании строения материи. Потребовалось очень много времени, чтобы выработались ясные представления и были поняты факты. Представление об основных веществах, из которых можно сделать все другие, столь же старо, как и натурфилософия. Целый ряд греческих философов развивал спекулятивные идеи такого рода. Первые заключения, близкие к нашим нынешним, были сделаны в XVII веке Робертом Бойлем; однако многие вещества, которые он считал простыми (т. е. элементами), оказались химическими соединениями. Знаменитый французский химик Антуан Лавуазье, казненный во время французской революции, составил список, содержащий 33 элемента. Современный список элементов и представление о молекулах как о соединении атомов были выработаны в XIX веке, причем наиболее важный вклад в это был сделан английским химиком Джоном Дальтоном.
Постараемся понять все колоссальное значение этого открытия. Мы окружены бесконечным множеством веществ, находящихся в различных и даже постоянно изменяющихся формах, с разными свойствами: горячих и холодных, живых и неживых. Несмотря на это колоссальное многообразие, все известные нам объекты состоят только из атомов 92 сортов, причем каждый сорт принадлежит своему, хорошо определенному элементу. Ни в живой, ни в неживой материи нельзя найти ничего такого, что нельзя было бы разложить каким-либо способом на некоторые из 92 элементов. Это открытие обнаружило основную простую черту в строении материи. Мы имеем дело со сравнительно малым числом фундаментальных единиц. Поэтому есть надежда, что принципы, лежащие в основе строения материи, достаточно просты, чтобы их мог понять человек.
