Кто доказал существование молекул. Открытие существования молекулы и атома. Похожие работы на - Теория броуновского движения и экспериментальное доказательство реального существования атомов и молекул

В ходе исследований катодных лучей, испускаемых отрицательным электродом (катодом) в вакуумной трубке при электрическом разряде, Жан Батист Перрен в 1895 г. показал, что они являются потоком отрицательно заряженных частиц. Вскоре стало распространяться мнение, что эти отрицательные частицы, названные электронами, представляют собой составную часть атомов.

Атомная теория утверждала, что элементы составлены из дискретных частиц, называемых атомами, и что химические соединения состоят из молекул, частиц большего размера, содержащих два или более атомов. К концу XIX в. атомная теория получила широкое признание среди ученых, особенно среди химиков. Однако некоторые физики полагали, что атомы и молекулы - это не более чем фиктивные объекты, которые введены из соображения удобства и полезны при численной обработке результатов химических реакций. Австрийский физик и философ Эрнст Мах считал, что вопрос о первичном строении материи принципиально неразрешим и не должен быть предметом исследования ученых. Для сторонников атомизма подтверждение дискретности материи было одним из принципиальных вопросов, остававшихся нерешенными в физике.

Продолжая разрабатывать атомную теорию, Перрен выдвинул в 1901 г. гипотезу, что атом представляет собой миниатюрную Солнечную систему, но не смог это доказать.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн опубликовал работу о броуновском движении, в которой были даны теоретические обоснования молекулярной гипотезы. Он дал определенные количественные предсказания, однако необходимые для их проверки эксперименты требовали настолько большой точности, что Эйнштейн сомневался в их осуществимости. С 1908 по 1913 г. Перрен (вначале не зная о работе Эйнштейна) выполнил тончайшие наблюдения над броуновским движением, которые подтвердили предсказания Эйнштейна.

Перрен понял, что если движение взвешенных частиц вызывается столкновениями с молекулами, то, основываясь на хорошо известных газовых законах, можно предсказать их средние смещения за определенный промежуток времени, если знать их размер, плотность и некоторые характеристики жидкости (например, температуру и плотность). Требовалось только правильно согласовать эти предсказания с измерениями, и тогда появилось бы веское подтверждение существования молекул. Однако получить частицы нужных размеров и однородности было не так просто. После многих месяцев кропотливого центрифугирования Перрену удалось выделить несколько десятых грамма однородных частиц гуммигута (желтоватого вещества, получаемого из млечного сока растений). После измерения характеристик броуновского движения этих частиц результаты оказались вполне соответствующими молекулярной теории.

Распределение конечных точек горизонтальных смещений частицы камеди, перенесенных параллельно самим себе так, чтобы начала всех смещений находились в центре окружности, опубликованное в работе Перрена ”Броуновское движение и реальность молекул”.

Перрен также изучал седиментацию, или оседание, мельчайших взвешенных частиц. Если молекулярная теория верна, рассуждал он, частицы, размеры которых меньше определенного, вовсе не будут опускаться на дно сосуда: направленная вверх компонента импульса, полученного в результате соударений с молекулами, будет постоянно противодействовать направленной вниз силе тяжести. Если суспензия не подвергается возмущениям, то в конце концов установится седиментационное равновесие, после чего концентрация частиц на различной глубине не будет изменяться. Если свойства суспензии известны, то можно предсказать равновесное распределение по вертикали.

Перрен провел несколько тысяч наблюдений, весьма изощренно и остроумно пользуясь микроскопической техникой и подсчитывая число частиц на разной глубине в одной капле жидкости с шагом по глубине всего в двенадцать сотых миллиметра. Он обнаружил, что концентрация частиц в жидкости экспоненциально убывает с уменьшением глубины, причем числовые характеристики столь хорошо согласовались с предсказаниями молекулярной теории, что результаты его опытов были широко признаны как решающее подтверждение существования молекул. Позже он придумал способы измерения не только линейных смещений частиц в броуновском движении, но и их вращения. Исследования Перрена позволили ему вычислить размеры молекул и число Авогадро, т.е. число молекул в одном моле (количестве вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна молекулярному весу этого вещества). Он проверил полученное им значение числа Авогадро с помощью пяти различных типов наблюдений и нашел, что она удовлетворяет им всем с учетом минимальной экспериментальной ошибки. (Принятое ныне значение этого числа составляет примерно 6,02·1023; Перрен получил величину на 6% более высокую.) К 1913 г., когда он суммировал уже многочисленные к тому времени свидетельства дискретной природы материи в своей книге “Les Atomes” - «Атомы» реальность существования как атомов, так и молекул была признана почти повсеместно.

В 1926 г. Перрен получил Нобелевскую премию по физике «за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия».

Горы, звезды, люди - все, что мы видим вокруг, состоит из крошечных атомов. Атомы маленькие. Очень и очень. С детства мы знаем, что все вещество состоит из скоплений этих крошечных штучек. Также мы знаем, что их нельзя увидеть невооруженным глазом. Мы вынуждены слепо верить этим заявлениям, не имея возможности проверить. Атомы взаимодействуют друг с другом и по кирпичикам составляют наш мир. Откуда мы это знаем? Многие не любят принимать утверждения ученых за чистую монету. Давайте вместе с наукой пройдем путь от осознания атомов до непосредственного доказательства их существования.

Может показаться, что есть простой способ доказать существование атомов: засунуть их под микроскоп. Но этот подход не сработает. Даже самые мощные микроскопы, фокусирующие свет, не могут визуализировать один атом. Объект становится видимым, поскольку отражает световые волны. Атомы настолько меньше длины волны видимого света, что они вовсе не взаимодействуют. Иными словами, атомы невидимы даже для света. Однако атомы все же оказывают наблюдаемые эффекты на некоторые вещи, которые мы можем увидеть.

Сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхауж изучал странное явление, которое не мог понять. Мельчайшие частицы угольной пыли шныряли на поверхности какого-то спирта в его лаборатории.

50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Броун описал нечто удивительно похожее. Изучая пыльцевые гранулы под микроскопом, Броун обнаружил, что некоторые гранулы испускают крошечные частицы - которые затем удалялись от пыльцы в случайном нервном танце.

Сначала Броун подумал, что частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими субстанциями, вроде каменной пыли, которая явно была неживой, и снова увидел странное движение.

Потребовалось почти сто лет, чтобы наука нашла объяснение. Пришел Эйнштейн и разработал математическую формулу, которая предсказывала тот самый особенный тип движения - тогда названный броуновским движением, в честь Роберта Броуна. Теория Эйнштейна заключалась в том, что частицы пыльцевых гранул постоянно перемещались, поскольку в них врезались миллионы крошечных молекул воды - молекул, состоящих из атомов.

«Он объяснил, что это нервное движение, которое вы наблюдаете, на самом деле вызывалось воздействием отдельных молекул воды на частички пыли или что там у вас есть», - объясняет Гарри Клифф из Кембриджского университета, также куратор Музея науки в Лондоне.

К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, показали, что атомы реальны. За десять лет физики существенно продвинулись вперед. Растягивая отдельные атомы, они начали понимать их внутреннюю структуру.

Сюрпризом стало то, что атомы можно разделить - особенно в свете того, что само название «атом» вышло из греческого «атомос», означающего «неделимый». Но физики теперь знают, что атомы далеко не базовые кирпичи. Они состоят из трех основных частей: протонов, нейтронов и электронов. Представьте, что протоны и нейтроны вместе образуют «солнце», или ядро, в центре системы. Электроны находятся на орбите этого ядра, подобно планетам.

Если атомы невообразимо малы, то эти субатомные частицы и вовсе. Забавно, но первой обнаружили самую малую частицу из трех - электрон. Чтобы понять разницу размеров, имейте в виду, что протоны в ядре в 1830 раз больше электрона. Представьте себе чупа-чупс на орбите воздушного шара - несоответствие будет примерно таким.

Но как мы узнали, что эти частицы там? Ответ в том, что они хоть и маленькие, но имеют большое влияние. Британский физик Томсон, открывший электроны, использовал прекрасный метод, чтобы доказать их существование в 1897 году.

У него была трубка Крукса - кусок стекла смешной формы, из которого машиной был высосан почти весь воздух. К одному концу трубки подводили отрицательный электрический заряд. Этого заряда было достаточно, чтобы выбить у молекул оставшегося в трубке газа часть электронов. Электроны заряжены отрицательно, поэтому летели к другому концу трубки. Благодаря частичному вакууму, электроны пролетали через трубку, не встречая на своем пути крупные атомы.

Электрический заряд приводил к тому, что электроны двигались очень быстро - порядка 59 500 километров в секунду - пока не врезались в стекло на дальнем конце, выбивая еще больше электронов, которые прятались в его атомах. Удивительно, но столкновение между этими умопомрачительно крошечными частицами производило столько энергии, что порождало фантастическое зелено-желтое свечение.

«Это был в некотором смысле один из первых ускорителей частиц, - говорит Клифф. - Он ускоряет электроны на одном конце трубки к другому, и они врезаются в экран на другом конце, производя фосфоресцирующее свечение».

Поскольку Томсон обнаружил, что может управлять пучками электронов с помощью магнитов и электрических полей, он знал, что это были не просто странные лучи света, - это были заряженные частицы.

И если вам интересно, как эти электроны могут летать независимо от своих атомов, то это благодаря процессу ионизации, в котором - в данном случае - электрический заряд меняет структуру атома, выбивая электроны в пространство поблизости.

В частности, благодаря тому что электронами так просто манипулировать и двигать, стали возможны электрические схемы. Электроны в медном проводе движутся подобно поезду от одного атома меди к другому - потому-то провод передается по проводу. Атомы, как мы уже сказали, это не цельные кусочки вещества, а системы, которые можно модифицировать или разобрать на структурные элементы.

Открытие электрона показало, что нужно узнать об атомах побольше. Работа Томсона показала, что электроны отрицательно заряжены - но он знал, что атомы сами по себе не имеют общего заряда. Он предположил, что они должны содержать загадочные положительно заряженные частицы, чтобы компенсировать отрицательно заряженные электроны.

Начала 20 века выявили эти положительно заряженные частицы и в то же время раскрыли внутреннюю структуру атома - похожую на солнечную систему.

Эрнест Резерфорд и его коллеги взяли очень тонкую металлическую фольгу и поставили ее под луч положительно заряженного излучения - поток крошечных частиц. Большая часть мощного излучения прошла насквозь, как и полагал Резерфорд, учитывая толщину фольги. Но, к удивлению ученых, часть его отскочила.

Резерфорд предположил, что атомы в металлической фольге должны содержать небольшие плотные области с положительным зарядом - ничто иное не обладало бы достаточным потенциалом, чтобы отразить такое мощное излучение. Он обнаружил положительные заряды в атоме - и одновременное доказал, что все они связаны в плотной массе, в отличие от электронов. Другими словами, он продемонстрировал существование плотного ядра в атоме.

Оставалась проблема. К тому моменту уже могли рассчитать массу атома. Но учитывая данные о том, какими тяжелыми должны были быть частицы ядра, идея того, что все они положительно заряжены, не имела смысла.

«Углерод имеет шесть электронов и шесть протонов в ядре - шесть положительных зарядов и шесть отрицательных зарядов, - объясняет Клифф. - Но ядро углерода не весит шесть протонов, оно весит эквиваленту 12 протонов».

Сначала предположили, что в ядре есть шесть других ядерных частиц с массой протона, но заряженных отрицательно: нейтроны. Но никто не смог это доказать. На самом деле, нейтроны не могли найти до 1930-х годов.

Кембриджский физик Джеймс Чедвик отчаянно пытался открыть нейтрон. Он работал над этой теорией много лет. В 1932 году ему удалось осуществить прорыв.

За несколько лет до этого другие физики экспериментировали с радиацией. Они запускали положительно заряженное излучение - того типа, который использовал Резерфорд в поисках ядра - в атомы бериллия. Бериллий испускал собственную радиацию: излучение, которое не было заряжено положительно или отрицательно и могло проникать глубоко в материал.

К этому времени другие выяснили, что гамма-излучение было нейтральным и проникало глубоко, поэтому физики считали, что именно его испускают атомы бериллия. Но Чедвик так не считал.

Он самостоятельно произвел новое излучения и направил его на вещество, которое, как он знал, было богатым на протоны. Неожиданно оказалось, что протоны были выбиты из материала словно бы частицами с идентичной массой - будто шарики для бильярда другими шариками.

Гамма-излучение не может отражать протоны таким образом, поэтому Чедвик решил, что искомые частицы должны иметь массу протона, но другой электрический заряд: и это нейтроны.

Все основные частицы атома были найдены, но на этом история не заканчивается.

Хотя мы узнали об атомах много больше, чем знали раньше, их было трудно визуализировать. В 1930-х годах никто не располагал их снимками - и многие люди хотели их увидеть, чтобы принять их существование.

Важно отметить, впрочем, что методы, используемые учеными вроде Томсона, Резерфорда и Чедвика, проложили путь к новому оборудованию, которое в конце концов помогло нам произвести эти снимки. Пучки электронов, которые Томсон генерировал в своем эксперименте с трубкой Крукса, оказались особенно полезными.

Сегодня подобные пучки генерируются электронными микроскопами, и самый мощный из таких микроскопов может на самом деле делать снимки отдельных атомов. Это потому, что электронный пучок обладает длиной волны в тысячи раз короче пучка света - настолько короткой, по сути, что волны электронов могут отражаться от крошечных атомов и выдавать картинку, чего не могут световые пучки.

Нил Скиппер из Университетского колледжа в Лондоне говорит, что такие изображения полезны для людей, которые хотят изучать атомную структуру специальных веществ - вроде тех, что используются в производстве батарей для электромобилей, к примеру. Чем больше мы знаем об их атомной структуре, тем лучше нам удается проектировать батареи, делать их эффективными и надежными.

Можно также понять, как выглядят атомы, просто тыкнув в них. Так, по сути, работает атомно-силовая микроскопия.

Идея в том, чтобы поднести кончик чрезвычайно малого зонда к поверхности молекулы или вещества. При достаточной близости зонд будет чувствителен к химической структуре того, на что указывает, и изменение сопротивления по мере движения зонда позволит ученым произвести снимки, к примеру, отдельной молекулы.

Скиппер добавляет, что многие атомные ученые исследуют, как структура вещей меняется при воздействии высокого давления или температуры. Большинство людей знает, что когда вещество нагревается, оно часто расширяется. Теперь можно обнаружить атомные изменения, которые происходят при этом, что зачастую оказывается полезным.

«При нагревании жидкости можно заметить, как ее атомы принимают неупорядоченную конфигурацию, - говорит Скиппер. - Вы можете увидеть это непосредственно из структурной карты».

Скиппер и другие физики также могут работать с атомами, используя нейтронные пучки, впервые обнаруженые Чедвиком в 1930-х.

«Мы запускаем много пучков нейтронов в образцы материалов, и из возникающего паттерна рассеяния можно понять, что вы рассеиваете нейтроны в ядрах, - говорит он. - Можно грубо прикинуть массу и размер объекта, который просвечивался».

Но атомы не всегда просто находятся там, в стабильном состоянии, ожидая, пока их изучат. Иногда они распадаются - то есть являются радиоактивными.

Существует множество естественных радиоактивных элементов. Этот процесс генерирует энергию, которая легла в основу ядерной энергетики - и ядерных бомб. Физики-ядерщики, как правило, пытаются лучше понять реакции, при которых ядро проходит через фундаментальные изменения вроде этих.

Лаура Харкнесс-Бреннан из Ливерпульского университета специализируется на изучении гамма-лучей - типа излучения, испускаемого распадающимися атомами. Радиоактивный атом определенного типа испускает особую форму гамма-луча. Это значит, вы можете идентифицировать атомы, только регистрируя энергию гамма-лучей - этим, собственно, Харкнесс-Бреннан и занимается в своей лаборатории.

«Типы детекторов, которые вы должны использовать, представлены детекторами, которые позволят вам измерять одновременно присутствие излучения и энергии радиации, которая была отложена, - говорит она. - Все потому, что у всех ядер есть особый отпечаток».

Поскольку в области, где была обнаружена радиация, могут присутствовать все типы атомов, особенно после крупной ядерной реакции, важно точно знать, какие радиоактивные изотопы присутствуют. Такое обнаружение обычно проводится на ядерных станциях или в зонах, где произошла ядерная катастрофа.

Харкнесс-Бреннан и ее коллеги сейчас работают над системами обнаружения, которые можно разместить в таких местах, чтобы показать в трех измерениях, где может присутствовать радиация в конкретном помещении. «Вам нужны техники и инструменты, которые позволят составить трехмерную карту пространства и подскажут, где в этой комнате, в этой трубе радиация», - говорит она.

Также можно визуализировать излучение в «камере Вильсона». В рамках этого специального эксперимента охлажденный до -40 градусов по Цельсию спиртовый пар распыляется облаком над радиоактивным источником. Заряженные частицы радиации, летящие от источника излучения, выбивают электроны из молекул спирта. Спирт конденсируется в жидкость рядом с дорожкой излучаемых частиц. Результаты такого типа обнаружения впечатляют.

Мы мало работали непосредственно с атомами - разве что поняли, что это прекрасные сложные структуры, которые могут претерпевать удивительные изменения, многие из которых происходят в природе. Изучая атомы таким образом, мы улучшаем собственные технологии, извлекаем энергию из ядерных реакций и лучше понимаем природный мир вокруг нас. Мы также получили возможность защищать себя от радиации и изучать, как меняются вещества в экстремальных условиях.

«Учитывая, насколько мал атом, просто невероятно, как много физики мы можем извлечь из него», - метко подмечает Харкнесс-Бреннан. Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих мельчайших частиц. И хорошо знать, что они там есть, поскольку именно благодаря им все вокруг стало возможным.

По материалам BBC

Теория Дж. Дальтона

Первым действительно научным обоснованием атомистической теории, убедительно продемонстрировавшим рациональность и простоту гипотезы о том, что всякий химический элемент состоит из мельчайших частиц, явилась работа английского школьного учителя математики Дж.Дальтона (1766-1844), статья которого, посвященная этой проблеме, появилась в 1803. Атомные постулаты Дальтона имели то преимущество перед абстрактными рассуждениями древнегреческих атомистов, что его законы позволяли объяснить и увязать между собой результаты реальных опытов, а также предсказать результаты новых экспериментов. Он постулировал, что: 1) все атомы одного и того же элемента тождественны во всех отношениях, в частности, одинаковы их массы; 2) атомы разных элементов имеют неодинаковые свойства, в частности, неодинаковы их массы; 3) в соединение, в отличие от элемента, входит определенное целое число атомов каждого из составляющих его элементов; 4) в химических реакциях может происходить перераспределение атомов, но ни один атом не разрушается и не создается вновь. (В действительности, как выяснилось в начале 20 в., эти постулаты не вполне строго выполняются, т.к. атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы, например водород имеет три такие разновидности, называемые изотопами; кроме того, атомы могут претерпевать радиоактивные превращения и даже полностью разрушиться, но не в химических реакциях, рассматривавшихся Дальтоном.) Основанная на этих четырех постулатах атомная теория Дальтона давала самое простое объяснение законов постоянных и кратных отношений. Однако она не давала никаких представлений о строении самого атома.

Броуновское движение

Шотландский ботаник Роберт Броун в 1827 году проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам». Наблюдавшееся Броуном явление назвали «броуновским движением». Объяснение броуновского движения движением невидимых молекул было дано только в последней четверти XIX в., но далеко не сразу было принято всеми учеными. В 1863 году преподаватель начертательной геометрии Людвиг Кристиан Винер (1826-1896) предположил, что явление связано с колебательными движениями невидимых частиц.

Открытие электрона

Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 году опытами по изучению закономерностей броуновского движения французского физика Жана Перрена.

В период, когда Перрен выполнял свои исследования катодных и рентгеновских лучей, еще не было выработано единого мнения относительно природы катодных лучей, испускаемых отрицательным электродом (катодом) в вакуумной трубке при электрическом разряде. Некоторые ученые полагали, что эти лучи представляют собой разновидность светового излучения, однако в 1895 году исследования Перрена показали, что они являются потоком отрицательно заряженных частиц. Атомная теория утверждала, что элементы составлены из дискретных частиц, называемых атомами, и что химические соединения состоят из молекул, частиц большего размера, содержащих два или более атомов. К концу XIX в. атомная теория получила широкое признание среди ученых, особенно среди химиков. Однако некоторые физики полагали, что атомы и молекулы - это не более чем фиктивные объекты, которые введены из соображения удобства и полезны при численной обработке результатов химических реакций.

Джозеф Джон Томсон, модифицировав эксперимент Перрена, подтвердил его выводы и в 1897 году определил важнейшую характеристику этих частиц, измерив отношение их заряда к массе по отклонению в электрическом и магнитном полях. Масса оказалась примерно в 2 тыс. раз меньше массы атома водорода, легчайшего среди всех атомов. Вскоре стало распространяться мнение, что эти отрицательные частицы, названные электронами, представляют собой составную часть атомов.

Рис. 8. Броуновское движение

Атомно-молекулярное уче­ние имело огромное значение для химии, которая благодаря ему стала быстро развиваться и в короткое время достигла блестя­щих успехов.

Однако в конце XIX в., когда это учение дало уже столько ценных результатов возникло реакционное течение, в корне от­рицавшее само существование атомов и молекул. Под влиянием идеалистической философии в Германии появилась так называе­мая «энергетическая» школа химиков, возглавлявшаяся извест­ным ученым Оствальдом, в основу теоретических воззрений кото­рой было положено отвлеченное понятие энергии, не связанной с материей. Сторонники этой школы считали, что все внешние явления могут быть объяснены как процессы между энергиями, и категорически отвергали существование атомов и молекул, как недоступных непосредственному чувственному восприятию частиц.

Энергетическое учение Оствальда являлось одной из разно­видностей идеалистических философских течений, направленных против материализма в науке. Отрывая энергию, т. е. движение от материи, допуская существование нематериального движения, последователи Оствальда тем самым молчаливо признавал, что наше сознание, мысль, ощущения существуют самостоятельно, как нечто первичное, не связанное с материей. Химические эле­менты рассматривались ими не как определенные , а как различные формы химической энергии.

Реакционная сущность учения Оствальда была блестяще вскрыта В. И. Лениным в его труде «Материализм и эмпириокри­тицизм». В гл. V этого труда, говоря о связи философского идеа­лизма с некоторыми новыми течениями в физике, Ленин остана­вливается и на «философии» Оствальда, доказывает всю ее несостоятельность и неизбежность ее поражения в борьбе с мате­риализмом.

«…попытка мыслить движение без материи, - пишет Ленин, - протаскивает мысль, оторванную от материи, а это и есть фило­софский идеализм» .

Ленин не только полностью вскрыл идеалистическую основу оствальдовских рассуждений, но и показал содержащиеся в них внутренние противоречия. Выдвигая философскую идею о суще­ствовании движения без материи, Оствальд отвергает объектив­ное существование материи, но в же время как физико-химик сам на каждом шагу трактует энергию материалистически, опи­раясь на закон сохранения и превращения энергии. «Превраще­ние энергии, - констатирует Ленин, - рассматривается естество­знанием как объективный процесс, независимый от сознания че­ловека и от опыта человечества, т. е. рассматривается материа­листически. И у самого Оствальда в массе случаев, даже ве­роятно в громадном большинстве случаев, под энергией разу­меется материальное движение» .

Вскоре новые поразительные открытия, которыми ознаменова­лось начало XX в., настолько неопровержимо доказали реаль­ность атомов и молекул, что в конце концов даже Оствальд вы­нужден был признать их существование.

Из экспериментальных исследований, посвященных вопросу о существовании атомов и молекул, особенный интерес пред­ставляют работы французского физика Перрена по изучению распределения и движения частиц в так называемых суспен­зиях.

Приготовив суспензию, содержавшую частицы одинакового размера, видимые в микроскоп, Перрен исследовал распределе ние частиц в ней. В результате многочисленных опытов, прове­денных с необычайной тщательностью, им было доказано, что распределение частиц суспензии по высоте в точности соответ­ствует закону уменьшения концентрации газов с высотой, выве­денному из кинетической теории газов. Таким образом, Перрен показал, что суспензии - это настоящие модели газов; следова­тельно, отдельные молекулы существуют и в газах, только они невидимы вследствие их малой величины.

Еще более убедительными оказались результаты, полученные Перреном при наблюдении движения частиц суспензии.

При рассмотрении капли жидкости с взвешенными в ней ча­стицами в сильный микроскоп можно видеть, что частицы не остаются в покое, но непре­ рывно движутся во всевозмож­ных направлениях. Движение частиц отличается крайней бес­порядочностью. Если просле­дить под микроскопом путь от­дельной частицы, получается очень сложная зигзагообраз­ная линия, указывающая на от­сутствие всякой закономерно-ти в движении частиц (рис. 8). Это движение может продол­жаться сколько угодно време­ни, не ослабевая и не изменяя своего характера.

Описываемое явление было открыто в 1827 г. английским ботаником Броуном и получило название броуновского движения. Однако объяснение ему было дано только в 60-х годах на основе молекулярно-кинетических представлений. Соглас­но этому объяснению, причиной видимого движения частиц суспензии является невидимое тепловое движение окружающих их молекул жидкости. Толчки, получаемые частицами суспензии со всех сторон от молекул жидкости, не могут, конечно, в точ­ности уравновешивать друг друга; в каждый момент равновесие нарушается в пользу того или иного направления, в результате чего частицы и совершают свой причудливый путь.

Таким обра­зом, уже самый факт существования броуновского движения свидетельствует о реальности молекул и дает картину их беспо­рядочного движения, так как взвешенные частицы в общем повто­ряют те же движения, что и молекулы жидкости. Но Перрен в своих исследованиях пошел еще дальше: путем длительных наблюдений за движением частиц под микроскопом ему удалось определить среднюю скорость перемещения частиц. Отсюда, зная массу частиц приготовленной суспензии, Перрен вычислил их среднюю кинетическую энергию. Результат получился порази­тельный. Оказалось, что кинетическая энергия частиц как раз соответствует кинетической энергии молекул газа, вычисленной для той же температуры на основании, кинетической теории. Частицы Перрена были примерно в 10 12 раз тяжелее молекул во­дорода, кинетическая же энергия тех и других одинакова. После установления этих фактов уже невозможно было отрицать объективную реальность молекул.

В настоящее время броуновское движение рассматривается и как следствие теплового движения молекул жидкости и как са­мостоятельное тепловое движение частиц суспензии. Последние представляют собой как бы молекулы-гиганты, участвующие в тепловом движении наравне с невидимыми молекулами жид­кости. Никакого принципиального различия между теми и дру­гими не существует.

Опыты Перрена не только доказали, что молекулы действи­тельно существуют, но и дали возможность рассчитать число мо­лекул в одной граммолекуле газа. Это число, имеющее, как мы знаем, универсальное значение, получило название числа Авогадро. По вычислениям Перрена, оно оказалось равным приблизительно 6,5 10 23 , что очень близко подходило к значе­ниям этой величины, найденным ранее другими способами. Впо­следствии число Авогадро много раз определялось совершенно различными физическими методами, причем результаты всегда получались очень близкими. Такое совпадение результатов сви­детельствует о правильности найденного числа и служит не­оспоримым доказательством реального существования молекул.

В настоящее время число Авогадро принимается равным

6,02 10 23

Колоссальная величина числа Авогадро выходит за пределы нашего воображения. Некоторое представление о ней можно со­ставить только путем сравнений.

Положим, например, что 1 моль, т. е. 18 г, воды равномерно распределен по всей поверхности земного шара. Простой подсчет показывает, что на каждый квадратный сантиметр поверхности придется около 100 000 молекул.

Приведем еще другое сравнение. Допустим, что нам удалось каким-то способом пометить все молекулы, содержащиеся в 18 г воды. Если затем вылить эту воду в море и дождаться, чтобы она равномерно перемешалась со всеми водами земного шара, зачерпнув в любом месте стакан воды, мы найдем в нем около 100 отмеченных нами молекул.

Рис. 9. Частицы дыма окиси цинка при увеличении в 20 000 раз

Так как граммолекула любого газа занимает при нормальных условиях объем 22,4 л, то в 1 мл газа содержится при этих усло­виях 2,7 10 19 молекул. Если довести разрежение газа в каком-нибудь сосуде даже до крайнего предела, которого позволяют достигнуть наилучшие насосы (приблизительно до одной десяти­миллиардной доли атмосферы), т. е. получить то, что мы практически считаем «безвоздушным пространством», то все-таки в 1 см 3 этого пространства молекул остаётся значительно больше, чем всех людей на земном шаре. По этому можно су­дить, как ничтожны должны быть размеры молекул и атомов, если столь огромное число их умещается в 1 см 3 . И тем не менее физики различными способами вычислили эти размеры. Оказы­вается, что если представить себе молекулы в виде крошечных ша­риков, то диаметр их будет измеряться стомиллионными до­лями сантиметра. Например, диаметр молекулы кислорода равняется приблизительно 3,2 10 -8 см, диаметр молекулы водо­рода 2,6 10 -8 см и диаметр атома водорода 1 10 -8 см.

Для выражения таких малых величин очень удобно принять за единицу длины одну стомиллионную долю сантиметра (10 -8 см). Эта единица была предложена шведским физиком Ангстремом для измерения длин световых волн и по его имени названаангстремом. Обозначается она символом А или А. Линейные размеры атомов и молекул выражаются обычно не­сколькими ангстремами.

Зная число молекул в одной граммолекуле, а следовательно, й число атомов в одном грамматоме, можно рассчитать вес атома любого элемента в граммах. Например, разделив грамматом водорода на число Авогадро, получим вес атома водорода в граммах:

1. Основные положения МКТ. Доказательство существования молекул. Размеры и масса молекул.

Основные положения молекулярно-кинетической теории.

1). Любое вещество имеет дискретное (прерывистое) строение. Оно состоит из мельчайших частиц - молекул и атомов, разделенных между собой промежутками. Молекулы являются наименьшими частицами, обладающими химическими свойствами данного вещества. Атомы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами химических элементов, входящих в состав данного вещества.

2). Молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, называемого тепловым. При нагревании вещества скорость теплового движения и кинетическая энергия его частиц увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются. Степень нагретости тела характеризуется его температурой, которая является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул этого тела.

3). Между молекулами в процессе их взаимодействия возникают силы притяжения и отталкивания.

^ Экспериментальное обоснование молекулярно-кинетической теории

Наличие у веществ проницаемости, сжимаемости и растворимости свидетельствует о том, что они не сплошные, а состоят из отдельных, разделенных промежутками частиц. С помощью современных методов исследования (электронный и ионный микроскопы) удалось получить изображения наиболее крупных молекул.

Наблюдения броуновского движения и диффузии частиц показали, что молекулы находятся в непрерывном движении.

Наличие прочности и упругости тел, смачиваемости, прилипания, поверхностного натяжения в жидкостях и т. д. - все это доказывает существование сил взаимодействия между молекулами.

^ Броуновское движение.

В 1827 г. английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что крупинки пыльцы непрерывно хаотически движутся. Беспорядочное движение взвешенных в жидкости очень маленьких частиц твердого тела и получило название броуновского движения. Было установлено, что броуновское движение происходит неограниченно долго. Интенсивность движения взвешенных в жидкости частиц не зависит от вещества этих частиц, а зависит от их размеров. Крупные частицы остаются неподвижными. Интенсивность броуновского движения увеличивается при повышении температуры жидкости и уменьшается при ее понижении. Взвешенные в жидкости частицы движутся под действием молекул жидкости, которые сталкиваются с ними. Молекулы движутся хаотично, поэтому силы, с которыми они действуют на взвешенные частицы, непрерывно изменяются по модулю и направлению. Это и приводит к беспорядочному движению взвешенных частиц. Таким образом, броуновское движение наглядно подтверждает существование моле­кул и хаотический характер их теплового движения. (Количественную теорию броуновского движения разработал в 1905 г. Эйнштейн.)
Диффузией называют явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул граничащих между собой веществ в межмолекулярные промежутки друг друга. (Диффузию, происходящую через полупроницаемые перегородки, называют осмосом.) Примером диффузии в газах является распространение запахов. В жидкостях наглядным проявлением диффузии является перемешивание против действия силы тяжести жидкостей разной плотности (при этом молекулы более тяжелой жидкости поднимаются вверх, а более легкой - опускаются вниз). Диффузия происходит и в твердых телах. Это доказывает та­кой опыт: две отполированные плоские пластинки из золота и свинца, положенные друг на друга, выдерживались при комнатной температуре в течение 5 лет. За это время пластинки срослись, образовав единое целое, причем молекулы золота проникли в свинец, а молекулы свинца - в золото на глубину до 1 см. 1 Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и температуры. С повышением температуры скорость диффузии возрастает, а с понижением - уменьшается.

^ Размеры и масса молекул

Размер молекулы является величиной условной. Его оценивают следующим образом. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния. Расстояние предельного сближения центров двух молекул называют эффективным диаметром молекулы и обозначают о (при этом условно считают, что молекулы имеют сферическую форму). За исключением молекул органических веществ, содержащих очень большое число атомов, большинство молекул по порядку величины имеют диаметр 10 -10 м и массу 10 -26 кг.

^ Относительная молекулярная масса

Поскольку массы атомов и молекул чрезвычайно малы, при расчетах обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс, получаемые путем сравнения масс атомов и молекул с атомной единицей массы, в качестве которой выбрана 1/12 часть массы атома углерода (т. е. пользуются углеродной шкалой атомных масс). Относительной молекулярной (или атомной ) массой М r (или А r ) вещества называют величину, равную отношению массы молекулы (или атома) этого вещества к 1/12 массы атома углерода 12 С. Относительная молекулярная (атомная) масса является величиной, не имеющей размерности. Относительная атомная масса каждого химического элемента указана в таблице Менделеева. Если вещество состоит из молекул, образованных из атомов различных химических элементов, относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав данного вещества.

^ Количество вещества

Количество вещества, содержащегося в теле, определяется числом молекул в этом теле (или числом атомов). Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в этом теле с числом атомов в 0,012 кг углерода. Иными словами, количеством вещества v называют величину, равную отношению числа молекул (или атомов) N в данном теле к числу атомов N A в 12 г углерода, т. е.

v = N/N A . Количество вещества выражают в молях. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

^ Постоянная Авогадро. Молярная масса

Согласно определению понятия моль, в 1 моль любого вещества содержится одинаковое число молекул или атомов. Это число N A , равное числу атомов в 0,012 кг (т. е. в 1 моль) углерода, называют постоянной Авогадро. Молярной массой М какого-либо вещества называют массу 1 моль этого вещества . Молярную массу вещества выражают в килограммах на моль.

Количество вещества можно найти как

Массу одной молекулы можно найти как
или учитывая что относительная молекулярная масса числена равна массе одной молекулы выраженной в а.е.м. (1 а.е.м. = 1,6610 -27 кг).

^ 2. Строение газообразных, жидких и твердых тел

Существуют четыре агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое, газообразное и плазма.

Если минимальная потенциальная энергия W П молекул вещества много меньше средней кинетической энергии их теплового движения W K (т. е. W П > W K , то вещество находится в твердом состоянии.

В газах при не высоких давлениях и не низких температурах молекулы находятся друг от друга на расстояниях, во много раз превышающих их размеры. В таких условиях молекулы газа не связаны между собой межмолекулярными силами притяжения. Они хаотически поступательно движутся по всему объему, занимаемому газом. Взаимодействие молекул газа происходит только при их столкновении между собой и со стенками сосуда, в котором газ находится. Передача импульса при этих столкновениях обусловливает давление, производимое газом. Расстояние, которое молекула проходит между двумя последовательными столкновениями, называют длиной свободного пробега молекул. Если молекулы газа состоят из двух или нескольких атомов, то при столкновении они приобретают вращательное движение. Таким образом, в газах молекулы совершают преимущественно поступательное и вращательное движение.

В жидкостях расстояние между молекулами сравнимо с их эффективным диаметром. Силы взаимодействия молекул друг с другом достаточно велики. Молекулы жидкости колеблются около временных положений равновесия. Однако в жидкостях W П ~ W K , поэтому, получив в результате хаотических столкновений избыток кинетической энергии, отдельные молекулы преодолевают притяжение соседних молекул и переходят в новые положения равновесия, вокруг которых вновь совершают колебательное движение. Время колебания молекул жидкости возле положений равновесия очень мало (порядка 10 -10 - 10 -12 с), после чего молекулы совершают переход в новые положения. Следовательно, молекулы жидкости совершают колебательное движение вокруг временных центров равновесия и скачкообразно перемещаются из одних положений равновесия в другие (вследствие таких перемещений жидкость обладает текучестью и принимает форму того сосуда, в котором находится). Жидкость состоит из множества микроскопических областей, в которых существует определенная упорядоченность в расположении близлежащих молекул, не повторяющаяся по всему объему жидкости и изменяющаяся с течением времени. Такой вид упорядоченности частиц называют ближним порядком.

В твердых телах расстояние между молекулами еще меньше, чем в жидкостях. Силы взаимодействия молекул твердых тел между собой настолько велики, что молекулы удерживаются относительно друг друга в определенных положениях и колеблются около постоянных центров равновесия. Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Для кристаллических тел характерны так называемые кристаллические решетки - упорядоченное и периодически повторяющееся в пространстве расположение молекул, атомов или ионов. Если через произвольный узел кристаллической решетки провести прямую в любом направлении, то вдоль этой прямой на равном расстоянии будут встречаться другие узлы этой решетки, т. е. данная структура повторяется по всему объему кристаллического тела. Такой вид упорядоченности частиц называют дальним порядком. В аморфных телах (стекло, смола и ряд других веществ) нет дальнего порядка и кристаллической решетки, что сближает по свойствам аморфные тела с жидкостями. Однако в аморфных телах молекулы колеблются около временных положений равновесия значительно дольше, чем в жидкостях. В твердых телах молекулы совершают преимущественно колебательное движение (хотя имеются и отдельные молекулы, движущиеся поступательно, о чем свидетельствует явление диффузии).

^ 3. Опыт Штерна. Распределение молекул по скоростям

Молекулы газов движутся с большими скоростями прямолинейно до столкновения. При комнатной температуре скорость молекул воздуха достигает нескольких сотен метров в секунду. Расстояние, которое в среднем пробегают молекулы от одного столкновения до другого, называют средней длиной свободного пробега молекул. У молекул воздуха при комнатной температуре средняя длина свободного пробега порядка 10 -7 м. Вследствие хаотичности движения молекулы обладают самыми разными скоростями. Но при данной температуре можно определить скорость, близкой к которой обладает наибольшее число молекул.

Скорость  в, близкой к которой обладает наибольшее число молекул, называется наиболее вероятной скоростью.

Лишь очень малое количество молекул обладает скоростью, близкой к нулю, или близкой к бесконечно большой величине, во много раз превосходящей наиболее вероятную скорость. И, конечно, отсутствуют молекулы, скорость которых равна нулю или бесконечно велика. Зато большинство молекул обладает скоростью, близкой к наиболее вероятной.

С увеличением температуры скорости молекул увеличиваются. Но количество молекул, обладающих скоростью, близкой к наиболее вероятной, уменьшается, так как возрастает разброс в скоростях, возрастает количество молекул, скорости которых существенно отличаются от наиболее вероятной. Число молекул, движущихся с большими скоростями, возрастает, а с меньшими, - уменьшается. Из-за огромного количества молекул в любом объеме газа их направления движения вдоль любой оси координат равновероятны, если газ находится в состоянии равновесия, т. е. в нем нет потоков. Это значит, что любому направленному движению одной молекулы соответствует антинаправленное движение другой молекулы с такой же скоростью, т. е. если одна молекула движется, например, вперед, то обязательно найдется другая молекула, которая движется с такой же скоростью назад. Поэтому быстроту движения молекул с учетом их направления нельзя охарактеризовать средней скоростью всех молекул, она всегда будет равна нулю, ведь положительная скорость, сонаправленная с одной из осей координат будет складываться с отрицательной скоростью, антинаправленной этой оси. Если же значения скоростей всех молекул возвести в квадрат, то все минусы исчезнут. Если, затем сложить квадраты скоростей всех молекул, а затем разделить на число молекул N, т. е. определить среднюю, величину квадратов скоростей всех молекул, а затем извлечь квадратный корень из этой величины, то он уже не будет равен нулю и им можно будет охарактеризовать быстроту движения молекул. Корень квадратный из среднего значения квадратов скоростей всех молекул называется их средней квадратичной скоростью
. Из уравнений молекулярной физики следует что
.

^ Опыт Штерна.

Первое экспериментальное определение скорости молекул было сделано в 1920 г. немецким физиком О. Штерном. В нем определялась средняя скорость движения атомов. Схема эксперимента изображена на рис.

На плоском горизонтальном основании закреплены две коаксиальные цилиндрические поверхности 1 и 2, которые вместе с основанием могут вращаться вокруг вертикальной оси ОО 1 . Поверхность 1 сплошная, а п
оверхность 2 имеет узкую щель 4, параллельную оси ОО 1 . Этой осью является платиновая посеребренная проволочка 3, через которую пропускают электрический ток. Вся система находится в камере, из которой откачан воздух (т.е. в вакууме). Проволоку нагревают до высокой температуры. Атомы серебра, испаряясь с ее поверхности, заполняют внутренний цилиндр 2. Узкий пучок этих атомов, прошедший сквозь щель 4 в стенке цилиндра 2, долетает до внутренней поверхности цилиндра 1. Если цилиндры неподвижны, атомы серебра откладываются на этой поверхности в виде узкой полоски, параллельной щели (точка В), (сечение цилиндров горизонтальной плоскостью).

Когда цилиндры приводят во вращение с постоянной угловой скоростью  вокруг оси ОО 1 за время t, в течение которого атомы летят от щели до поверхности внешнего цилиндра (т. е. проходят расстояние АВ, равное разности
радиусов этих цилиндров), цилиндры поворачиваются на угол , и атомы осаждаются в виде полоски в другом месте (точка С, рис. б). Расстояние между местами осаждения атомов в первом и во втором случаях равно s.

Обозначим среднюю скорость движения атомов, а v = R - линейную скорость наружного цилиндра. Тогда
. Зная параметры установки и измерив экспериментально s, по можно определить среднюю скорость движения атомов. В опыте Штерна было установлено, что средняя скорость атомов серебра равна 650 м/с.