Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Рис. 19. Броуновское движение. Легкая частица испытывает беспорядочные смещения, видимые в микроскоп.

Это выглядит так, как если бы по ним стреляли крошечными невидимыми снарядами, беспорядочно выпускаемыми во всех направлениях. Такое движение впервые обнаружил в 1827 г. ботаник Роберт Броун, увидевший в свой микроскоп хаотический танец маленьких частиц. Он вел наблюдения в воде, а не в воздухе, но причина движения от этого не изменяется. Наличие «броуновского движения» служит прямым доказательством того, что воздух не непрерывен, а состоит из множества маленьких единиц, летящих в пространстве по всем направлениям весьма произвольным образом. Любой предмет в воздухе беспорядочно обстреливается со всех сторон молекулами, и этот обстрел создает давление воздуха. Обычно число ударов столь велико, что они действуют, как постоянное давление. Однако если наш предмет очень мал, то он испытает значительно меньше ударов, и, следовательно, отдельные удары могут время от времени вызывать дополнительное действие. Это и есть причина броуновского движения.

Мы можем определить наименьшую единицу жидкости, задавая следующий вопрос: сколь большую площадь можно покрыть тонкой пленкой жидкости, если в нашем распоряжении имеется ограниченное ее количество? Если бы не существовало наименьшей единицы, то одним граммом можно было бы покрыть площадь какого угодно размера, так как тогда любую площадь можно было бы удвоить, уменьшая толщину пленки вдвое. Но если есть наименьшая единица, толщину пленки нельзя сделать меньше нее, и, следовательно, для данного количества жидкости должна существовать определенная наибольшая площадь, по которой можно распределить ату жидкость.

Подобный опыт легко произвести, давая нефти растекаться по поверхности воды. Оказывается, что маленькая капелька нефти диаметром 1 мм растекается по площади около 3 м 2, но никогда — по большей площади. Отсюда мы заключаем, что есть наименьшая единица нефти. По размерам площади можно рассчитать, чему она равна; мы снова получаем около 3·10 -8 мм , т. е. примерно столько же, как и для единицы (атома) вольфрама [25] Допустим, что капля нефти имеет форму куба с ребром, равным 1 мм . Составим этот куб, разрезая масляный слой площадью 3 м 2 на миллиметровые квадратики и накладывая их друг на друга. Высота получающегося столбика будет равняться 1 мм , т. е. высоте исходной капли. В 3 м 2 содержится 3 000 000 мм 2 . Следовательно, толщина нефтяного слоя будет равна 1 деленному на 3 000 000. Отсюда размер единицы, или молекулы, нефти равен 3·10 -8 см . .

Существование определенной наименьшей единицы любого вещества дает нам некую абсолютную меру количества. Обычно мы говорим об одном килограмме железа, об одном литре воды, об одном кубическом метре воздуха при атмосферном давлении. Все эти меры определяются произвольным выбором единиц измерения. Но, говоря о миллионе атомов железа, миллионе молекул воды или воздуха, мы тем самым применяем абсолютную меру, характерную для данного вещества и не зависящую от выбора человеком тех или иных единиц измерения. Вещество можно «сосчитать», вместо того чтобы измерять или взвешивать.

Для нас молекулы или атомы чрезвычайно малы, и поэтому химики предпочитают пользоваться в качестве абсолютной меры «молем» вещества [26] Здесь и в дальнейшем автор называет молем то, что в специальной литературе обычно называют числом Авогадро. ( Прим. перев .). . Молем называется некое определенное число наименьших единиц; из практических соображений для определения моля выбрано число атомов в 1 г водорода. Это число, знаменитое число Авогадро, равно 6,03·10 23. Один моль воды, содержащий 6,03·10 23молекул воды, заполняет около 18 с; один моль горной породы (кварца) имеет объем, примерно равный 24 см 3, а один моль воздуха при нормальных условиях — 22,4 л . Объемы одного моля воды и одного моля кварца приблизительно одинаковы, и, следовательно, должны быть приблизительно одинаковыми и размеры их наименьших единиц. Однако один моль воздуха заполняет гораздо больший объем, чем один моль воды или кварца. Это объясняется не большим размером единицы воздуха, а тем, что воздух представляет собой газ, молекулы которого находятся далеко друг от друга и свободно движутся в пространстве. Если охладить воздух до такой низкой температуры, что он станет жидким (при этом его молекулы касаются друг друга), то объем одного его моля будет примерно равен объему одного моля воды.

Что делает предмет горячим или холодным? В течение многих лет считалось, что тепло — это некое вещество, содержащееся в нагретом предмете. Полагали, что при соприкосновении с холодным предметом тепловое вещество проникает из горячего предмета в холодный и выравнивает их температуры. Но в середине прошлого века стало ясно, что тепло есть энергия, а именно энергия неупорядоченного движения молекул и атомов. При нагревании куска вещества все изменение состоит в том, что его наименьшие единицы совершают более быстрые и беспорядочные движения.

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] Импульс, который несет каждая молекула, пропорционален ее скорости. Число ударов молекул о стенку в секунду опять-таки пропорционально их скорости, так что передаваемый в секунду импульс пропорционален квадрату скорости. Переданный за единицу времени импульс есть не что иное, как сила, в данном случае — давление. ( Прим. перев .). . 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 %.