Борис Кудрявцев - Первоначала вещей [Очерк о строении вещества]

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.

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.

Значит, не перемешивание жидкости или газа, вызванное разной нагретостью его отдельных слоев, причина движения пылинок. Поищем другое объяснение этого загадочного явления.

Не мы ли с вами сами являемся причиной этого движения? Ведь стакан, в котором мы наблюдаем движение, стоит на столе, и мы, двигаясь по комнате, закрывая и открывая двери, непрерывно сотрясаем стол. А когда мы неподвижны, это за нас делают проезжающие по улице автомобили, трамваи, автобусы.

Чтобы избежать каких бы то ни было сотрясений, ученые опускались в подземелья, где сосуд с жидкостью находился в полном покое. Но и это не могло успокоить пылинки, они двигались по-прежнему неутомимо!

Что же заставляет их двигаться?

Если присмотреться к нашему опыту, то в глаза бросится обстоятельство еще более странное, чем движение пылинок.

В самом деле, описанное явление можно наблюдать, подмешав к воде мельчайшие частицы любого вещества, нерастворимого в воде. Это вещество может быть и более тяжелым, чем вода. В последнем случае частицы должны были бы потонуть и собраться на дне стакана. Однако если мы проделаем такой опыт, например, с глиной, то убедимся, что часть частиц, вместо того чтобы упасть на дно стакана, расположится так, как это изображено на рисунке 9.

Рис. 9. Так располагаются мельчайшие частички в сосуде с водой.

Внизу их будет больше, наверху меньше. И такое расположение не меняется, сколько бы времени мы ни наблюдали!

Что же мешает частичкам упасть?

Оказывается, одна и та же причина заставляет частицы двигаться и не дает им упасть. Это удары о них молекул воды.

Конечно, причудливые движения каждой цветочной пылинки не есть результат ударов отдельных молекул. Дело в том, что в какое-либо мгновение об одну из сторон пылинки ударяется или значительно больше молекул, чем о противоположную, или же молекулы, движущиеся с большей скоростью. Все эти удары складываются и заставляют пылинки двигаться в том направлении, в каком перемещаются избыточные или особенно быстрые молекулы.

Описанное движение мельчайших пылинок было открыто известным, шотландским ботаником Броуном и названо по его имени броуновским . А теория, объясняющая беспорядочное движение частиц под влиянием ударов молекул, была развита польским ученым М. Смолуховским.

Броуновское движение позволяет ученым обнаруживать движение молекул так же, как движение листвы деревьев позволяет заметить даже слабое дуновение ветерка.

Рис. 10. Схема броуновского движения.

В жизни мы привыкли чаще иметь дело с твердыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому первые нам представляются более простыми и понятными, чем неосязаемые и невидимые газы. Однако не все, к чему мы привыкли и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы имеют более простое строение, чем жидкости или твердые тела; поведение молекул газов легче изучить и понять.