Борис Кудрявцев - Первоначала вещей [Очерк о строении вещества]

Так же, как маятник, колеблются бесчисленные частички, образующие кристалл.

При невысоких температурах размах колебаний, совершаемых отдельными частицами, невелик. Это позволяет получать электронно-фотографические изображения крупных молекул.

Правда, и в этом случае фотография получится, вероятно, несколько «смазанной», подобно тем неудачным снимкам, которые так огорчают новичков, пытающихся фотографировать движущиеся предметы с сравнительно большой экспозицией.

Если мы подсчитаем путь, пробегаемый колеблющимися атомами за одну секунду, сложив вместе отрезки, пройденные при отдельных колебаниях, совершенных ими за это время, то заметим, что этот путь будет зависеть от температуры. Чем выше температура, тем больше путь, следовательно, тем больше частота и размах совершаемых частицами колебаний.

Таким образом, и в твердых телах, так же как и в жидкостях и в газах, для объяснения теплоты не надо прибегать к помощи таинственной «тепловой материи»; мы можем вместе с Ломоносовым сказать: «теплота состоит во внутреннем движении материи».

Итак, если у газов молекулы, в зависимости от их строения, могут двигаться или только поступательно, или же сочетая поступательное движение с вращением, то частицы твердых тел только колеблются.

Это единообразие движения частиц всех твердых тел должно сказаться на их теплоемкости.

Опираясь на учение об атомах, можно предположить, что если взять различные твердые тела в таких количествах, чтобы все они содержали одинаковое число атомов, то их теплоемкости будут одинаковыми. Как показывает опыт, при не слишком низких температурах это предположение полностью оправдывается. При одинаковом числе атомов в твердых телах их теплоемкости одинаковы.

Частицы твердых тел способны и перемещаться с места на место, но число таких «кочующих» частиц невелико. Однажды был проделан такой опыт: на тоненький золотой листочек был поставлен цилиндрик, сделанный из свинца, и оставлен в таком положении в покое. Спустя четыре года свинцовый цилиндрик был распилен сверху вниз, и оказалось, что частички золота, правда в ничтожных количествах, встречались по всей толще свинцового цилиндра. Этот опыт наглядно доказал, что какая-то доля частичек золота способна не только колебаться, но и перемещаться с места на место.

При повышении температуры количество «кочующих» частиц в твердом теле возрастает.

Каждой «кочующей» частице соответствует пустующий узел в кристаллической решетке. Чем больше частиц ведет «кочевой» образ жизни, тем больше в кристаллической решетке узлов, не занятых частицами.

С повышением температуры, с одной стороны, увеличивается частота и размах колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку, а с другой — растет количество пустующих узлов. Это приводит к тому, что при какой-то определенной достаточно высокой температуре порядок частиц, свойственный кристаллу, нарушается, кристаллическая решетка перестает существовать, твердое тело плавится, превращаясь в жидкость.

Это происходит с каждым веществом при совершенно определенной, отличной от других веществ температуре. Именно поэтому химики часто, желая узнать, с каким веществом они имеют дело, измеряют его температуру плавления.

При любой температуре среди бесчисленного числа частиц, образующих кристаллическое твердое тело, имеются частицы как с малой, так и с большой кинетической энергией.

Если кинетическая энергия частицы достаточно велика, то частица может оторваться от поверхности твердого тела и перейти в окружающий ее газ.

Переход твердого вещества непосредственно в газ, минуя жидкость, называется сублимацией .

Особенно легко сублимируются нафталин, иод. Этим объясняется пахучесть этих веществ.

Сублимируется и твердая углекислота. Отнимая тепло от окружающих предметов, она сама нагревается и сразу превращается в бесцветный газ, не образуя ни одной капли жидкости. Поэтому-то твердую углекислоту и называют сухим льдом.

Какие же силы удерживают частицы твердого тела в определенных положениях, характерных для кристалла? Что мешает им разлететься по всем направлениям? Силы молекулярного или атомного притяжения, скажете вы. Но какова природа этих сил? Что заставляет два атома или две молекулы притягивать друг друга?

Если кристалл состоит из ионов, как, например, кристалл поваренной соли, объяснить притяжение частиц друг к другу легко.

Все знают, что если потереть расческу о шерстяную материю, то она будет притягивать кусочки папиросной бумаги, соломинки и другие легкие предметы. Мы говорим, что расческа наэлектризовалась и противоположные электрические заряды притягивают друг друга.

Кристалл поваренной соли состоит из чередующихся ионов натрия и хлора. Ион натрия заряжен положительно, ион хлора — отрицательно. Благодаря электрическим зарядам ионы притягиваются один к другому, обеспечивая тем самым прочную кристаллическую решетку.

Труднее объяснить возникновение сил притяжения между совершенно одинаковыми атомами углерода в алмазе или между молекулами нафталина в кристаллическом нафталине.

Однако и в этом случае причина молекулярного притяжения коренится в электрических зарядах, имеющихся в каждом атоме или молекуле. Силы притяжения, действующие между любыми частицами, имеют, в конечном счете, электрическую природу. Величина их зависит от расстояния между частицами. На больших расстояниях эти силы невелики, но при сближении частиц возрастают: чем ближе друг к другу расположены частицы, тем сильнее они притягиваются.

Вы можете спросить, почему же тогда атомы или молекулы в кристалле остаются на определенных расстояниях, не сливаясь в одну большую атомную каплю.

Причина этого в том, что когда частицы подойдут достаточно близко одна к другой, между ними возникают силы отталкивания. Правда, молекулярное отталкивание проявляется только на очень близких расстояниях, но зато оно возрастает по мере сближения частиц гораздо быстрее, чем притяжение. В результате при определенном расстоянии между частицами силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания. И это происходит как раз тогда, когда частицы располагаются в узлах кристаллической решетки. Поэтому в кристалле силы притяжения в точности равны силам отталкивания, и на частицы как бы не действуют никакие силы.

В 1660 году английский физик Р. Гук, исследуя поведение твердых тел под действием силы, открыл важный закон природы. По обычаю века он записал закон по-латыни и придал ему вид анаграммы:

Рассматривая этот ребус, истинные ученые могли сами из приведенных букв составить найденный Гуком закон.